Abstract Hevea brasiliensis (rubber tree) is a large tree species of the Euphorbiaceae family with inestimable economic importance. Rubber tree breeding programs currently aim to improve growth and production, and the use of early genotype selection technologies can accelerate such processes, mainly with the incorporation of genomic tools, such as marker-assisted selection (MAS). However, few quantitative trait loci (QTLs) have been used successfully in MAS for complex characteristics. Recent research shows the efficiency of genome-wide association studies (GWAS) for locating QTL regions in different populations. In this way, the integration of GWAS, RNA-sequencing (RNA-Seq) methodologies, coexpression networks and enzyme networks can provide a better understanding of the molecular relationships involved in the definition of the phenotypes of interest, supplying research support for the development of appropriate genomic based strategies for breeding. In this context, this work presents the potential of using combined multiomics to decipher the mechanisms of genotype and phenotype associations involved in the growth of rubber trees. Using GWAS from a genotyping-by-sequencing (GBS) Hevea population, we were able to identify molecular markers in QTL regions with a main effect on rubber tree plant growth under constant water stress. The underlying genes were evaluated and incorporated into a gene coexpression network modelled with an assembled RNA-Seq-based transcriptome of the species, where novel gene relationships were estimated and evaluated through in silico methodologies, including an estimated enzymatic network. From all these analyses, we were able to estimate not only the main genes involved in defining the phenotype but also the interactions between a core of genes related to rubber tree growth at the transcriptional and translational levels. This work was the first to integrate multiomics analysis into the in-depth investigation of rubber tree plant growth, producing useful data for future genetic studies in the species and enhancing the efficiency of the species improvement programs.

ABSTRACT Orphan genes (OGs) are protein-coding genes that are restricted to particular clades or species and lack homology with genes from other organisms, making their biological function difficult to predict. OGs can rapidly originate and become functional; consequently, they may support rapid adaptation to environmental changes. Extensive spread of mobile elements, and whole genome duplication, occurred in the Saccharum group, which may have contributed to the origin and diversification of OGs in the sugarcane genome. Here, we identified and characterized OGs in sugarcane, examined their expression profiles across tissues and genotypes, and investigated their regulation under varying conditions. We identified 319 OGs in the Saccharum spontaneum genome without detected homology to protein-coding genes in green plants, except those belonging to Saccharinae. Transcriptomic analysis showed 288 sugarcane OGs with detectable expression levels in at least one tissue or genotype. We observed similar expression patterns of OGs in sugarcane genotypes originating from the closest geographical locations. We also observed tissue-specific expression of some OGs, possibly indicating a complex regulatory process for maintaining diverse functional activity of these genes across sugarcane tissues and genotypes. Sixty-six OGs were differentially expressed under stress conditions, especially cold and osmotic stresses. Gene co-expression network and functional enrichment analyses suggested that sugarcane OGs may be involved in several biological mechanisms, including stimulus response and defence mechanisms. These findings provide a valuable genomic resource for sugarcane researchers, especially those interested in selecting stress-responsive genes.

Apomixis is a highly desirable trait in modern agriculture; however, incorporating it into breeding programs requires a deeper comprehension of apomictic regulatory mechanisms. Paspalum notatum is considered a good model for such studies because it exhibits both sexual and apomictic cytotypes. A transcriptomic approach to identifying differentially expressed genes between these cytotypes would constitute an important tool for the identification of genes in the apomictic pathway. We generated leaf and inflorescence transcriptomes of apomictic tetraploids and sexual diploids/tetraploids of P. notatum accessions. We de novo assembled and annotated 114,306 unigenes. Coexpression network and ontological annotation were applied to recover the interactions and biological processes of exclusive and differentially expressed genes from the apomictic libraries. Additionally, genes potentially linked to the apomixis-controlling region and several genes reported in the literature were identified. The reference transcriptome obtained in this study represents a robust set of expression data for P. notatum. Our approach to sequencing florets and leaves from different cytotypes enabled us to isolate a set of candidate genes. Using a gene expression network, we recovered transcriptionally coordinated genes related to mechanisms regulating apomixis. These findings provide an important contribution to our knowledge of apomixis and are valuable for Paspalum breeding programs.

Rubber tree (Hevea brasiliensis) cultivation is the main source of natural rubber worldwide and has been extended to areas with suboptimal climates and lengthy drought periods; this transition affects growth and latex production. High-density genetic maps with reliable markers support precise mapping of quantitative trait loci (QTL), which can help reveal the complex genome of the species, provide tools to enhance molecular breeding, and shorten the breeding cycle. In this study, QTL mapping of the stem diameter, tree height, and number of whorls was performed for a full-sibling population derived from a GT1 and RRIM701 cross. A total of 225 simple sequence repeats (SSRs) and 186 single-nucleotide polymorphism (SNP) markers were used to construct a base map with 18 linkage groups and to anchor 671 SNPs from genotyping by sequencing (GBS) to produce a very dense linkage map with small intervals between loci. The final map was composed of 1,079 markers, spanned 3,779.7 cM with an average marker density of 3.5 cM, and showed collinearity between markers from previous studies. Significant variation in phenotypic characteristics was found over a 59-month evaluation period with a total of 38 QTLs being identified through a composite interval mapping method. Linkage group 4 showed the greatest number of QTLs (7), with phenotypic explained values varying from 7.67% to 14.07%. Additionally, we estimated segregation patterns, dominance, and additive effects for each QTL. A total of 53 significant effects for diameter were observed, and these effects were mostly related to additivity in the GT1 clone. Associating accurate genome assemblies and genetic maps represents a promising strategy for identifying the genetic basis of phenotypic traits in the rubber trees. Then, further research can benefit from the QTLs identified herein, providing a better understanding of the key determinant genes associated with growth of Hevea brasiliensis under limiting water conditions.

Natural rubber is an indispensable commodity used in approximately 40,000 products and is fundamental to the tire industry. Among the species that produce latex, the rubber tree [Hevea brasiliensis (Willd. ex Adr. de Juss.) Muell-Arg.], a species native to the Amazon rainforest, is the major producer of latex used worldwide. The Amazon Basin presents optimal conditions for rubber tree growth, but the occurrence of South American leaf blight, which is caused by the fungus Microcyclus ulei (P. Henn) v. Arx, limits rubber tree production. Currently, rubber tree plantations are located in scape regions that exhibit suboptimal conditions such as high winds and cold temperatures. Rubber tree breeding programs aim to identify clones that are adapted to these stress conditions. However, rubber tree breeding is time-consuming, taking more than 20 years to develop a new variety. It is also expensive and requires large field areas. Thus, genetic studies could optimize field evaluations, thereby reducing the time and area required for these experiments. Transcriptome sequencing using next-generation sequencing (RNA-seq) is a powerful tool to identify a full set of transcripts and for evaluating gene expression in model and non-model species. In this study, we constructed a comprehensive transcriptome to evaluate the cold response strategies of the RRIM600 (cold-resistant) and GT1 (cold-tolerant) genotypes. Furthermore, we identified putative microsatellite (SSR) and single-nucleotide polymorphism (SNP) markers. Alternative splicing, which is an important mechanism for plant adaptation under abiotic stress, was further identified, providing an important database for further studies of cold tolerance.

Among rubber tree species, which belong to the Hevea genus of the Euphorbiaceae family, Hevea brasiliensis (Willd. ex Adr.de Juss.) Muell. Arg. is the main commercial source of natural rubber production worldwide. Knowledge of the population structure and linkage disequilibrium (LD) of this species is essential for the efficient organization and exploitation of genetic resources. Here, we obtained single-nucleotide polymorphisms (SNPs) using a genotyping-by-sequencing (GBS) approach and then employed the SNPs for the following objectives: (i) to identify the positions of SNPs on a genetic map of a segregating mapping population, (ii) to evaluate the population structure of a germplasm collection, and (iii) to detect patterns of LD decay among chromosomes for future genetic association studies in rubber tree. A total of 626 genotypes, including both germplasm accessions (368) and individuals from a genetic mapping population (254), were genotyped. A total of 77,660 and 21,283 SNPs were detected by GBS in the germplasm and mapping populations, respectively. The mapping population, which was previously mapped, was constructed with 1,062 markers, among which only 576 SNPs came from GBS, reducing the average interval between two adjacent markers to 4.4 cM. SNPs from GBS genotyping were used for the analysis of genetic structure and LD estimation in the germplasm accessions. Two groups, which largely corresponded to the cultivated and wild populations, were detected using STRUCTURE and via principal coordinate analysis (PCoA). LD analysis, also using the mapped SNPs, revealed that non-random associations varied along chromosomes, with regions of high LD interspersed with regions of low LD. Considering the length of the genetic map (4,693 cM) and the mean LD (0.49 for cultivated and 0.02 for wild populations), a large number of evenly spaced SNPs would be needed to perform genome-wide association studies in rubber tree, and the wilder the genotypes used, the more difficult the mapping saturation.

Mixed-cytotype populations are ideal to understand polyploid establishment and diversification. We used the orchid Zygopetalum mackayi to understand how facultative apomictic reproduction relates to polyploidy. Sexual diploids and facultative apomictic tetraploids occur under distinct niches, with a contact zone where triploids occur. We hypothesized that facultative apomictic reproduction increases the fitness of tetraploids through reproductive interference between cytotypes. We predict patterns of genetic diversity of allopatric tetraploid populations to be significantly different from contact zone populations as a result of dominant apomictic reproduction in the later. We also describe the contact nature of diploids and tetraploids and the role of the intermediate triploids based on patterns of genetic structure within and among pure and mixed-cytotype populations. We designed eight microsatellite markers and genotyped 155 individuals from six populations resulting in 237 alleles. We described patterns of genetic diversity and structure within and among populations and cytotypes. Genotypic diversity is similarly high among all populations and cytotypes. Each cytotype emerged as a genetically cluster, combining individuals from different populations. Triploids clustered in an intermediate position between diploids andtetraploids. We rejected the hypothesis of reproductive interference between cytotypes of Z. mackayi. Patterns of genetic diversity are incongruent with the occurrence of apomict reproduction in tetraploids. Mixed-cytotype populations originate from secondary contact and triploids are hybrids between diploids and tetraploids and act as a reproductive barrier. We suggest polyploidy rather than facultative apomixis explains higher fitness of tetraploids in this species and, therefore, eco-geographical patterns of distribution.

Local adaptation is often a product of environmental variations in the geographical space and has implications for biodiversity conservation. We investigated the role of latitudinal heterogeneity in climate on the organization of genetic and phenotypic variation in the dominant coastal tree, Avicennia schaueriana . In a common garden experiment, samples from an equatorial region, marked by rainy/dry seasons, accumulated less biomass, showed lower stomatal conductance and transpiration, narrower xylem vessels, smaller leaves and higher reflectance of long wavelengths (red light) on the stem epidermis, than samples from a subtropical region, marked by warm/cold seasons. Transcriptome differences identified between trees sampled under field conditions at equatorial and subtropical sites, were enriched in functional categories as responses to temperature, solar radiation, water deficit, photosynthesis and cell wall biosynthesis. The diversity based on thousands of SNP loci revealed a north-south genetic structure. Remarkably, signatures of selection were identified in loci associated with photosynthesis, anthocyanin accumulation and the responses to osmotic and hypoxia stresses. Our results suggest the existence of divergence in key resource-use characteristics, likely driven by climate seasonality, based on water-deficit and solar radiation. These findings provide a basis for conservation plans and for predictions for coastal plant responses to climate change.

Abstract Elucidating the intricacies of the sugarcane genome is essential for breeding superior cultivars. This economically important crop originates from hybridizations of highly polyploid Saccharum species. However, the large size (10 Gb), high polyploidy, and aneuploidy of the sugarcane genome pose significant challenges to complete genome sequencing, assembly, and annotation. One successful strategy for identifying candidate genes linked to agronomic traits, particularly those associated with sugar accumulation, leverages synteny and potential collinearity with related species. In this study, we explored synteny between sorghum and sugarcane. Genes from a sorghum Brix QTL were used to screen bacterial artificial chromosome (BAC) libraries from two Brazilian sugarcane varieties (IACSP93-3046 and SP80-3280). The entire region was successfully recovered, confirming synteny and collinearity between the species. Manual annotation identified 51 genes in the hybrid varieties that were subsequently confirmed to be present in Saccharum spontaneum . To identify candidate genes for sugar accumulation, this study employed a multifaceted approach, including retrieving the genomic region of interest, performing gene-by-gene analysis, analyzing RNA-seq data of internodes from Saccharum officinarum and S. spontaneum accessions, constructing a coexpression network to examine the expression patterns of genes within the studied region and their neighbors, and finally identifying differentially expressed genes (DEGs). This comprehensive approach led to the discovery of three candidate genes potentially involved in sugar accumulation: an ethylene-responsive transcription factor (ERF), an ABA 8’-hydroxylase, and a prolyl oligopeptidase (POP). These findings could be valuable for identifying additional candidate genes for other important agricultural traits and directly targeting candidate genes for further work in molecular breeding.

Abstract The protein kinase (PK) superfamily constitutes one of the largest and most conserved protein families in eukaryotic genomes, comprising core components of signaling pathways in cell regulation. Despite its remarkable relevance, only a few kinase families have been studied in Hevea brasiliensis . A comprehensive characterization and global expression analysis of the PK superfamily, however, is currently lacking. In this study, with the aim of providing novel inferences about the mechanisms associated with the stress response developed by PKs and retained throughout evolution, we identified and characterized the entire set of PKs, also known as the kinome, present in the Hevea genome. A total of 1,809 PK genes were identified using the current reference genome assembly at the scaffold level, and 1,379 PK genes were identified using the latest chromosome-level assembly and combined into a single set of 2,842 PKs. These proteins were further classified into 20 different groups and 122 families, exhibiting high compositional similarities among family members and with two phylogenetically close species ( Manihot esculenta and Ricinus communis ). Different RNA-sequencing datasets were employed to identify tissue-specific expression patterns and potential correspondences between different rubber tree genotypes. In addition, coexpression networks under several abiotic stress conditions, such as cold, drought and latex overexploitation, were employed to elucidate associations between families and tissues/stresses. Through the joint investigation of tandemly duplicated kinases, transposable elements, gene expression patterns, and coexpression events, we provided insights into the understanding of the cell regulation mechanisms in response to several conditions, which can often lead to a significant reduction in rubber yield.