A high-quality sequence assembly of the zebrafish genome reveals the largest gene set of any vertebrate and provides information on key genomic features, and comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human protein-coding genes have at least one clear zebrafish orthologue. The genome of the zebrafish — a key model organism for the study of development and human disease — has now been sequenced and published as a well-annotated reference genome. Zebrafish turns out to have the largest gene set of any vertebrate so far sequenced, and few pseudogenes. Importantly for disease studies, comparison between human and zebrafish sequences reveals that 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. A second paper reports on an ongoing effort to identify and phenotype disruptive mutations in every zebrafish protein-coding gene. Using the reference genome sequence along with high-throughput sequencing and efficient chemical mutagenesis, the project's initial results — covering 38% of all known protein-coding genes — they describe phenotypic consequences of more than 1,000 alleles. The long-term goal is the creation of a knockout allele in every protein-coding gene in the zebrafish genome. All mutant alleles and data are freely available at go.nature.com/en6mos . Zebrafish have become a popular organism for the study of vertebrate gene function1,2. The virtually transparent embryos of this species, and the ability to accelerate genetic studies by gene knockdown or overexpression, have led to the widespread use of zebrafish in the detailed investigation of vertebrate gene function and increasingly, the study of human genetic disease3,4,5. However, for effective modelling of human genetic disease it is important to understand the extent to which zebrafish genes and gene structures are related to orthologous human genes. To examine this, we generated a high-quality sequence assembly of the zebrafish genome, made up of an overlapping set of completely sequenced large-insert clones that were ordered and oriented using a high-resolution high-density meiotic map. Detailed automatic and manual annotation provides evidence of more than 26,000 protein-coding genes6, the largest gene set of any vertebrate so far sequenced. Comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. In addition, the high quality of this genome assembly provides a clearer understanding of key genomic features such as a unique repeat content, a scarcity of pseudogenes, an enrichment of zebrafish-specific genes on chromosome 4 and chromosomal regions that influence sex determination.

Next generation sequencing (NGS) technology has revolutionized genomic and genetic research. The pace of change in this area is rapid with three major new sequencing platforms having been released in 2011: Ion Torrent’s PGM, Pacific Biosciences’ RS and the Illumina MiSeq. Here we compare the results obtained with those platforms to the performance of the Illumina HiSeq, the current market leader. In order to compare these platforms, and get sufficient coverage depth to allow meaningful analysis, we have sequenced a set of 4 microbial genomes with mean GC content ranging from 19.3 to 67.7%. Together, these represent a comprehensive range of genome content. Here we report our analysis of that sequence data in terms of coverage distribution, bias, GC distribution, variant detection and accuracy. Sequence generated by Ion Torrent, MiSeq and Pacific Biosciences technologies displays near perfect coverage behaviour on GC-rich, neutral and moderately AT-rich genomes, but a profound bias was observed upon sequencing the extremely AT-rich genome of Plasmodium falciparum on the PGM, resulting in no coverage for approximately 30% of the genome. We analysed the ability to call variants from each platform and found that we could call slightly more variants from Ion Torrent data compared to MiSeq data, but at the expense of a higher false positive rate. Variant calling from Pacific Biosciences data was possible but higher coverage depth was required. Context specific errors were observed in both PGM and MiSeq data, but not in that from the Pacific Biosciences platform. All three fast turnaround sequencers evaluated here were able to generate usable sequence. However there are key differences between the quality of that data and the applications it will support.

Three subfamilies of grasses, the Ehrhartoideae, Panicoideae and Pooideae, provide the bulk of human nutrition and are poised to become major sources of renewable energy. Here we describe the genome sequence of the wild grass Brachypodium distachyon (Brachypodium), which is, to our knowledge, the first member of the Pooideae subfamily to be sequenced. Comparison of the Brachypodium, rice and sorghum genomes shows a precise history of genome evolution across a broad diversity of the grasses, and establishes a template for analysis of the large genomes of economically important pooid grasses such as wheat. The high-quality genome sequence, coupled with ease of cultivation and transformation, small size and rapid life cycle, will help Brachypodium reach its potential as an important model system for developing new energy and food crops.

Bread wheat (Triticum aestivum) is a globally important crop, accounting for 20 per cent of the calories consumed by humans. Major efforts are underway worldwide to increase wheat production by extending genetic diversity and analysing key traits, and genomic resources can accelerate progress. But so far the very large size and polyploid complexity of the bread wheat genome have been substantial barriers to genome analysis. Here we report the sequencing of its large, 17-gigabase-pair, hexaploid genome using 454 pyrosequencing, and comparison of this with the sequences of diploid ancestral and progenitor genomes. We identified between 94,000 and 96,000 genes, and assigned two-thirds to the three component genomes (A, B and D) of hexaploid wheat. High-resolution synteny maps identified many small disruptions to conserved gene order. We show that the hexaploid genome is highly dynamic, with significant loss of gene family members on polyploidization and domestication, and an abundance of gene fragments. Several classes of genes involved in energy harvesting, metabolism and growth are among expanded gene families that could be associated with crop productivity. Our analyses, coupled with the identification of extensive genetic variation, provide a resource for accelerating gene discovery and improving this major crop. Sequencing of the hexaploid bread wheat genome shows that it is highly dynamic, with significant loss of gene family members on polyploidization and domestication, and an abundance of gene fragments. Two groups in this issue report the compilation and analysis of the genome sequences of major cereal crops — bread wheat and barley — providing important resources for future crop improvement. Bread wheat accounts for one-fifth of the calories consumed by humankind. It has a very large and complex hexaploid genome of 17 Gigabases. Michael Bevan and colleagues have analysed the genome using 454 pyrosequencing and compared it with diploid ancestral and progenitor genomes. The authors discovered significant loss of gene family members upon polyploidization and domestication, and expansion of gene classes that may be associated with crop productivity. Barley is one of the earliest domesticated plant crops. Although diploid, it has a very large genome of 5.1 Gigabases. Nils Stein and colleagues describe a physical map anchored to a high-resolution genetic map, on top of which they have overlaid a deep whole-genome shotgun assembly, cDNA and RNA-seq data to provide the first in-depth genome-wide survey of the barley genome.

Genome wide analysis of orthologous clusters is an important component of comparative genomics studies. Identifying the overlap among orthologous clusters can enable us to elucidate the function and evolution of proteins across multiple species. Here, we report a web platform named OrthoVenn that is useful for genome wide comparisons and visualization of orthologous clusters. OrthoVenn provides coverage of vertebrates, metazoa, protists, fungi, plants and bacteria for the comparison of orthologous clusters and also supports uploading of customized protein sequences from user-defined species. An interactive Venn diagram, summary counts, and functional summaries of the disjunction and intersection of clusters shared between species are displayed as part of the OrthoVenn result. OrthoVenn also includes in-depth views of the clusters using various sequence analysis tools. Furthermore, OrthoVenn identifies orthologous clusters of single copy genes and allows for a customized search of clusters of specific genes through key words or BLAST. OrthoVenn is an efficient and user-friendly web server freely accessible at http://probes.pw.usda.gov/OrthoVenn or http://aegilops.wheat.ucdavis.edu/OrthoVenn.

Abstract Background Microsatellite (simple sequence repeat – SSR) and single nucleotide polymorphism (SNP) markers are two types of important genetic markers useful in genetic mapping and genotyping. Often, large-scale genomic research projects require high-throughput computer-assisted primer design. Numerous such web-based or standard-alone programs for PCR primer design are available but vary in quality and functionality. In particular, most programs lack batch primer design capability. Such a high-throughput software tool for designing SSR flanking primers and SNP genotyping primers is increasingly demanded. Results A new web primer design program, BatchPrimer3, is developed based on Primer3. BatchPrimer3 adopted the Primer3 core program as a major primer design engine to choose the best primer pairs. A new score-based primer picking module is incorporated into BatchPrimer3 and used to pick position-restricted primers. BatchPrimer3 v1.0 implements several types of primer designs including generic primers, SSR primers together with SSR detection, and SNP genotyping primers (including single-base extension primers, allele-specific primers, and tetra-primers for tetra-primer ARMS PCR), as well as DNA sequencing primers. DNA sequences in FASTA format can be batch read into the program. The basic information of input sequences, as a reference of parameter setting of primer design, can be obtained by pre-analysis of sequences. The input sequences can be pre-processed and masked to exclude and/or include specific regions, or set targets for different primer design purposes as in Primer3Web and primer3Plus. A tab-delimited or Excel-formatted primer output also greatly facilitates the subsequent primer-ordering process. Thousands of primers, including wheat conserved intron-flanking primers, wheat genome-specific SNP genotyping primers, and Brachypodium SSR flanking primers in several genome projects have been designed using the program and validated in several laboratories. Conclusion BatchPrimer3 is a comprehensive web primer design program to develop different types of primers in a high-throughput manner. Additional methods of primer design can be easily integrated into future versions of BatchPrimer3. The program with source code and thousands of PCR and sequencing primers designed for wheat and Brachypodium are accessible at http://wheat.pw.usda.gov/demos/BatchPrimer3/ .

Gorillas are humans’ closest living relatives after chimpanzees, and are of comparable importance for the study of human origins and evolution. Here we present the assembly and analysis of a genome sequence for the western lowland gorilla, and compare the whole genomes of all extant great ape genera. We propose a synthesis of genetic and fossil evidence consistent with placing the human–chimpanzee and human–chimpanzee–gorilla speciation events at approximately 6 and 10 million years ago. In 30% of the genome, gorilla is closer to human or chimpanzee than the latter are to each other; this is rarer around coding genes, indicating pervasive selection throughout great ape evolution, and has functional consequences in gene expression. A comparison of protein coding genes reveals approximately 500 genes showing accelerated evolution on each of the gorilla, human and chimpanzee lineages, and evidence for parallel acceleration, particularly of genes involved in hearing. We also compare the western and eastern gorilla species, estimating an average sequence divergence time 1.75 million years ago, but with evidence for more recent genetic exchange and a population bottleneck in the eastern species. The use of the genome sequence in these and future analyses will promote a deeper understanding of great ape biology and evolution. The genome of a western lowland gorilla has been sequenced and analysed, completing the genome sequences of all great ape genera, and providing evidence for parallel accelerated evolution in chimpanzee, gorilla and human lineages at a number of loci. The genome of the gorilla has been sequenced, making it possible to compare the DNA of the four surviving hominid genera: human, chimpanzee, gorilla and orang-utan. The data — mainly from a female western lowland gorilla named Kamilah, but also from other gorillas representing both the western lowland and eastern lowland sub-species — imply that in almost one-third of its genome, the gorilla is closer to the human or chimpanzee than the human and chimp are to each other. Around 500 genes show accelerated evolution in gorilla, human and chimpanzee lineages, and there is evidence for parallel acceleration, particularly in genes associated with hearing. On the basis of genetic and fossil evidence, the authors suggest that the human–chimpanzee and human–chimpanzee–gorilla speciation events occurred at around 6 million and 10 million years ago respectively, whereas the two gorilla species diverged around 1.75 million years ago.

A combination of advanced sequencing and mapping techniques is used to produce a reference genome of Aegilops tauschii, progenitor of the wheat D genome, providing a valuable resource for comparative genetic studies. Sequencing the genomes of crops plants provides useful resources for crop improvement and breeding. Jan Dvořák, Katrien Devos, Steven Salzberg and colleagues report a reference genome for Aegilops tauschii, the diploid progenitor of the D genome of hexaploid wheat. They use a combination of ordered-clone genome sequencing, whole-genome shotgun sequencing and BioNano optical genome mapping to assemble this large and highly repetitive genome. This provides a useful resource for comparative genomics studies of wheat. Aegilops tauschii is the diploid progenitor of the D genome of hexaploid wheat1 (Triticum aestivum, genomes AABBDD) and an important genetic resource for wheat2,3,4. The large size and highly repetitive nature of the Ae. tauschii genome has until now precluded the development of a reference-quality genome sequence5. Here we use an array of advanced technologies, including ordered-clone genome sequencing, whole-genome shotgun sequencing, and BioNano optical genome mapping, to generate a reference-quality genome sequence for Ae. tauschii ssp. strangulata accession AL8/78, which is closely related to the wheat D genome. We show that compared to other sequenced plant genomes, including a much larger conifer genome, the Ae. tauschii genome contains unprecedented amounts of very similar repeated sequences. Our genome comparisons reveal that the Ae. tauschii genome has a greater number of dispersed duplicated genes than other sequenced genomes and its chromosomes have been structurally evolving an order of magnitude faster than those of other grass genomes. The decay of colinearity with other grass genomes correlates with recombination rates along chromosomes. We propose that the vast amounts of very similar repeated sequences cause frequent errors in recombination and lead to gene duplications and structural chromosome changes that drive fast genome evolution.

The Tasmanian devil (Sarcophilus harrisii), the largest marsupial carnivore, is endangered due to a transmissible facial cancer spread by direct transfer of living cancer cells through biting. Here we describe the sequencing, assembly, and annotation of the Tasmanian devil genome and whole-genome sequences for two geographically distant subclones of the cancer. Genomic analysis suggests that the cancer first arose from a female Tasmanian devil and that the clone has subsequently genetically diverged during its spread across Tasmania. The devil cancer genome contains more than 17,000 somatic base substitution mutations and bears the imprint of a distinct mutational process. Genotyping of somatic mutations in 104 geographically and temporally distributed Tasmanian devil tumors reveals the pattern of evolution and spread of this parasitic clonal lineage, with evidence of a selective sweep in one geographical area and persistence of parallel lineages in other populations.PaperClip/cms/asset/27564b27-fefa-42e1-bb8f-fa0a65d4d0be/mmc3.mp3Loading ...(mp3, 3.1 MB) Download audio

Bread wheat (Triticum aestivum) is a globally dominant crop and major source of calories and proteins for the human diet. Compared with its wild ancestors, modern bread wheat shows lower genetic diversity, caused by polyploidisation, domestication and breeding bottlenecks1,2. Wild wheat relatives represent genetic reservoirs, and harbour diversity and beneficial alleles that have not been incorporated into bread wheat. Here we establish and analyse extensive genome resources for Tausch's goatgrass (Aegilops tauschii), the donor of the bread wheat D genome. Our analysis of 46 Ae. tauschii genomes enabled us to clone a disease resistance gene and perform haplotype analysis across a complex disease resistance locus, allowing us to discern alleles from paralogous gene copies. We also reveal the complex genetic composition and history of the bread wheat D genome, which involves contributions from genetically and geographically discrete Ae. tauschii subpopulations. Together, our results reveal the complex history of the bread wheat D genome and demonstrate the potential of wild relatives in crop improvement. Analysis of 46 newly sequenced or re-sequenced Tausch's goatgrass (Aegilops tauschii) accessions establishes the origin of the bread wheat (Triticum aestivum) D genome from genetically and geographically discrete Ae. tauschii subpopulations.