Abstract As a foundation to understand the molecular mechanisms of peach evolution and high-altitude adaptation, we performed de novo genome assembling of four wild relatives of P. persica, P. mira, P. kansuensis, P. davidiana and P. ferganensis . Through comparative genomic analysis, abundant genetic variations were identified in four wild species when compared to P. persica . Among them, a deletion, located at the promoter of Prupe.2G053600 in P. kansuensis , was validated to regulate the resistance to nematode. Next, a pan-genome was constructed which comprised 15,216 core gene families among four wild peaches and P. perisca . We identified the expanded and contracted gene families in different species and investigated their roles during peach evolution. Our results indicated that P. mira was the primitive ancestor of cultivated peach, and peach evolution was non-linear and a cross event might have occurred between P. mira and P. dulcis during the process. Combined with the selective sweeps identified using accessions of P. mira originating from different altitude regions, we proposed that nitrogen recovery was essential for high-altitude adaptation of P. mira through increasing its resistance to low temperature. The pan-genome constructed in our study provides a valuable resource for developing elite cultivars, studying the peach evolution, and characterizing the high-altitude adaptation in perennial crops.

The environment has constantly shaped plant genomes, but the genetic bases underlying how plants adapt to environmental influences remain largely unknown. We constructed a high-density genomic variation map by re-sequencing genomes of 263 geographically representative peach landraces and wild relatives. A combination of whole-genome selection scans and genome-wide environmental association studies (GWEAS) was performed to reveal the genomic bases of peach local adaptation to diverse climates comprehensively. A total of 2,092 selective sweeps that underlie local adaptation to both mild and extreme climates were identified, including 339 sweeps conferring genomic pattern of adaptation to high altitudes. Using GWEAS, a total of 3,496 genomic loci strongly associated with 51 specific environmental variables were detected. The molecular mechanism underlying adaptive evolution of high drought, strong UV-B, cold hardiness, sugar content, flesh color, and bloom date were revealed. Finally, based on 30 years of observation, a candidate gene associated with bloom date advance, representing peach responses to global warming, was identified. Collectively, our study provides insights into molecular bases of how environments have shaped peach genomes by natural selection and adds valuable genome resources and candidate genes for future studies on evolutionary genetics, adaptation to climate changes, and future breeding.

The fhuACDB operon, present in a number of Enterobacteriaceae, encodes components essential for the uptake of ferric hydroxamate type siderophores. FhuA acts not only as transporter for physiologically important chelated ferric iron, but also as receptor for various bacteriophages, toxins and antibiotics, which are pathogenic to bacterial cells. In this research, the fhuA gene distribution and sequence diversity were investigated in Enterobacteriaceae, especially Salmonella and Escherichia. Comparative sequence analysis resulted in a fhuA phylogenetic tree that did not match the expected phylogeny based on housekeeping sequence analysis or trees of fhuCDB genes. The fhuA sequences showed a unique mosaic-clustering pattern. On the other hand, the gene sequences showed high conservation for strains from the same serovar or serotype. In total, six clusters were identified from FhuA proteins in Salmonella and Escherichia, among which typical peptide fragment variations could be defined. Six fragmental insertions / deletions and two substitution fragments were discovered, which could well classify the different clusters. Structure modeling demonstrated that all the six featured insertions/deletions and one substitution fragment are located at the apexes of the long loops of FhuA external pocket. These frequently mutated regions are likely under high selection pressure, and bacterial strains could have escaped from phage infection or toxin / antibiotics attack via fhuA gene mutations while maintaining the siderophore uptake activity essential for bacterial survival. The unusual fhuA clustering suggests that high frequency exchange of fhuA genes has occurred between enterobacterial strains after distinctive species were established.

Melatonin, a circadian hormone, has been reported to improve host lipid metabolism by reprogramming gut microbiota, which also exhibits rhythmicity in a light/dark cycle. However, the effect of admistartion of exogenous melatonin on the diurnal variation in gut microbiota in high fat diet (HFD)-fed mice is obscure. Here, we further confirmed the anti-obesogenic effect of melatonin on in mice feed with HFD for two weeks. Samples were collected every 4 h within a 24-h period and diurnal rhythms of clock genes expression (Clock, Cry1, Cry2, Per1, and Per2) and serum lipid indexes varied with diurnal time. Notably, Clock and triglycerides (TG) showed a marked rhythm only in the control and melatonin treated mice, but not in the HFD-fed mice. Rhythmicity of these parameters were similar between control and melatonin treated HFD mice compared with the HFD group, indicating an improvement of melatonin in the diurnal clock of host metabolism in HFD-fed mice. 16S rDNA sequencing showed that most microbiota exhibited a daily rhythmicity and the trends differentiated at different groups and different time points. We also identified several specific microbiota correlating with the circadian clock genes and serum lipid indexes, which might contribute the potential mechanism of melatonin in HFD-fed mice. Administration of exogenous melatonin only at daytime exhibited higher resistance to HFD-induced lipid dysmetabolism than nighttime treatment companying with altered gut microbiota (Lactobacillus, Intestinimonas, and Oscillibacter). Importantly, the responses of microbiota transplanted mice to HFD feeding also varied at different transplanting times (8:00 and 16:00) and different microbiota donors.

Abstract Bacterial porins serve as the interface interacting with extracellular environment, and are often found under positive selection to fit in different environmental stresses. Local recombination has been identified in a handful of porin genes to facilitate the rapid adaptation of bacterial cells. It remains unknown whether it is a common evolutionary mechanism in gram-negative bacteria for all or a majority of the outer membrane proteins. In this research, we investigated the β-barrel porin encoding genes in Escherichia coli that were reported under positive Darwinia selection. Besides fhuA that was found with ingenic local recombination predominantly previously, we identified four other genes, i.e., lamB, ompA, ompC and ompF , all showing the similar mosaic evolution patterns as in fhuA . Comparative analysis of the protein sequences disclosed a list of highly variable regions in each protein family, which are mostly located in the convex of extracellular loops and coinciding with the binding sites of various bacteriophages. For each of the porin family, mosaic recombination leads to various combinations of the HVRs with different sequence patterns, generating diverse protein groups. Structure modeling further indicated the conserved global topology for various groups of each porin family, but the extracellular surface varies a lot that is formed by individual or combinatorial HVRs. The conservation of global tertiary structure ensures the channel activity while the wide diversity of HVRs may assist bacteria avoiding the invasion of phages, antibiotics or immune surveillance factors. In summary, the study identified multiple bacterial porin genes with mosaic evolution, a likely general strategy, by which outer membrane proteins could facilitate the host bacteria to both maintain normal life processes and evade the attack of unflavored environmental factors rapidly. Importance Microevolution studies can disclose more elaborate evolutionary mechanisms of genes, appearing especially important for genes with multifaceted function such as those encoding outer membrane proteins. However, in most cases, the gene is considered as a whole unit and the evolutionary patterns are disclosed. In this research, we reported that multiple bacterial porin proteins follow mosaic evolution, with local ingenic recombination combined with spontaneous mutations based positive Darwinia selection, and conservation for most of the other regions. It could represent a common mechanism for bacterial outer membrane proteins. The study also provides insights on development of new anti-bacterial agent or vaccines.