Abstract The estimation of larval dispersal of marine species occurring on an ecological timescale is significant for conservation. In 2018, a semi-population outbreak of crown of thorns starfish, Acanthaster cf. solaris was observed on a relatively isolated oceanic island, Ogasawara. The aim of this study was to assess whether this population outbreak was caused by large-scale larval recruitment (termed secondary outbreak) from the Kuroshio region. We estimated larval dispersal of the coral predator A. cf. solaris between the Kuroshio and Ogasawara regions using both population genomic analysis and oceanographic dispersal simulation. Population genomic analysis revealed overall genetically homogenized patterns among Ogasawara and other Japanese populations, suggesting that the origin of the populations in the two regions is the same. In contrast, a simulation of 26-year oceanographic dispersal indicated that larvae are mostly self-seeded in Ogasawara populations and have difficulty reaching Ogasawara from the Kuroshio region within one generation. However, a connectivity matrix produced by the larval dispersal simulation assuming a Markov chain indicated gradual larval dispersal migration from the Kuroshio region to Ogasawara in a stepping-stone manner over multiple years. These results suggest that, while large-scale larval dispersal from an outbreak of the Kuroshio population spreading to the Ogasawara population within one generation is unlikely. This study also highlighted the importance of using both genomic and oceanographic methods to estimate larval dispersal, which provides significant insight into larval dispersal that occurs on ecological and evolutionary timescales.

Abstract Chrysanthemums are one of the most industrially important cut flowers worldwide. However, their segmental allopolyploidy and self-incompatibility have prevented the application of genetic analysis and modern breeding strategies. We thus developed a model strain, Gojo-0 ( Chrysanthemum seticuspe ), which is a diploid and self-compatible pure line. Here, we present the 3.05 Gb chromosome-level reference genome sequence, which covered 97% of the C. seticuspe genome. The genome contained more than 80% interspread repeats, of which retrotransposons accounted for 72%. We identified recent segmental duplication and retrotransposon expansion in C. seticuspe , contributing to a relatively large genome size. Furthermore, we identified aretrotransposon, SbdRT, which was enriched in gene-dense genome regions and had experienced a very recent transposition burst. We also demonstrated that the chromosome-level genome sequence facilitates positional cloning in C. seticuspe . The genome sequence obtained here can greatly contribute as a reference for chrysanthemum in front-line breeding including genome editing.

Abstract Like animals, plants accommodate a rich diversity of microbes, typically without discernible disease symptoms. How their pathogenesis is prevented in the host remains obscure. Here, we show that the root-infecting fungus Colletotrichum fructicola of the C . gloeosporioides clade (CgE), isolated from field-grown healthy Brassicaceae plants, inhibits growth of pathogenic fungi in Arabidopsis thaliana , in a phosphate status-dependent manner. Loss of host ethylene signaling or phytoalexins, camalexin or indole glucosinolates, however, allows CgE to display pathogenesis, suggesting host contributions to endophytic CgE colonization and benefit. Compared to a closely-related C. gloeosporioides pathogen (CgP), CgE is characterized by genome expansion and >700 fungal genes (4.34%) specifically induced in the host roots when co-inoculated with CgP, including genes related to fungal secondary metabolism. This may underlie antimicrobial tolerance of CgE and its dominance over pathogenic fungi within the host, pointing to a role for fungus-fungus competition in asymptomatic fungal colonization in plants.

Abstract Gain of alternative splicing gives rise to functional diversity in proteins and underlies the complexity and diversity of biological aspects. However, it is still not fully understood how alternatively spliced genes develop the functional novelty. To this end, we infer the evolutionary history of the doublesex gene, the key transcriptional factor in the sexual differentiation of arthropods. doublesex is controlled by sex-specific splicing and promotes both male and female differentiation in some holometabolan insects. In contrast, doublesex promotes only male differentiation in some hemimetabolan insects. Here, we investigate ancestral states of doublesex using Thermobia domestica belonging to Zygentoma, the sister group of winged insects. We find that doublesex of T. domestica expresses sex-specific isoforms but is only necessary for male differentiation of sexual morphology. This result ensures the hypothesis that doublesex was initially only used to promote male differentiation during insect evolution. However, T. domestica doublesex has a short female-specific region and upregulates the expression of vitellogenin homologs in females, suggesting that doublesex may have already controlled some aspects of feminization in the common ancestor of winged insects. Reconstruction of the ancestral sequence and prediction of the protein structure show that the female-specific isoform of doublesex has a long C-terminal disordered region in holometabolan insects, but not in non-holometabolan species. We propose that doublesex acquired a female-specific isoform and then underwent a change in the protein motif structure, which became essential for female differentiation in sexual dimorphisms.

Abstract Background Population outbreaks of the crown-of-thorns starfish ( Acanthaster planci sensu lato; COTS), a primary predator of reef-building corals in the Indo-Pacific Ocean, are major concerns in coral reef management. While biological and ecological knowledge of COTS has been accumulating since the 1960s, little is known about its associated bacteria. The aim of this study was to provide fundamental information on dominant COTS-associated bacteria through a multifaceted molecular approach. Methods A total of 205 COTS individuals from 17 locations throughout the Indo-Pacific Ocean were examined for the presence of COTS-associated bacteria. We conducted 16S rRNA metabarcoding of COTS to determine the bacterial profiles of different parts of the body, and generated a full-length 16S rRNA gene sequence from a single dominant bacterium, which we designated COTS27. We performed phylogenetic analysis to determine the taxonomy, screening of COTS27 across the Indo-Pacific, FISH to visualize it within the COTS tissues, and reconstruction of the chromosome from the hologenome sequence data. Results We discovered that a single bacterium exists at high densities in the subcuticular space in COTS forming a biofilm-like structure between the cuticle and the epidermis. COTS27 belongs to a clade that presumably represents a distinct order (so-called marine spirochetes) in the phylum Spirochaetes and is universally present in COTS throughout the Indo-Pacific Ocean. The reconstructed genome of COTS27 includes some genetic traits that are probably linked to adaptation to marine environments and evolution as an extracellular endosymbiont in subcuticular spaces. Conclusions COTS27 can be found in three allopatrically speciated COTS species, ranging from northern Red Sea to the Pacific, implying that symbiotic relationship arose before the speciation (approximately 2 million years ago). The universal association of COTS27 with COTS and nearly mono-specific association at least with the Indo-Pacific COTS potentially provides a useful model system for studying symbiont-host interactions in marine invertebrates.

Abstract The evolution of the functionality of genes and genetic systems is a major source of animal diversity. Its best example is insect sex differentiation systems: promoting male and female differentiation (dual-functionality) or only male differentiation (single-functionality). However, the evolutionary origin of such functional diversity is largely unknown. Here, we investigate the ancestral functions of doublesex , a key factor of insect sex differentiation system, using the apterygote insect, Thermobia domestica , and reveal that its doublesex is essential for only males at the phenotypic level, but contributes to promoting female-specific vitellogenin expression in females. This functional discordance between the phenotypic and transcription-regulatory levels in T. domestica shows a new type of functionality of animal sex differentiation systems. Then, we examine how the sex differentiation system transited from the single-functionality to the dual-functionality in phenotypes and uncover that a conserved female-specific motif of doublesex is detected in taxa with the dual-functional doublesex . It is estimated that the role of the sex differentiation system for female phenotypes may have evolved through accumulating mutations in the protein motif structures that led to the enhancement of its transcription-regulatory function.

Abstract In animal gonads, transposable elements (TEs) are actively repressed to preserve genome integrity through the Piwi-interacting RNA (piRNA) pathway. In mice, piRNAs are most abundantly expressed in male germ cells, and form effector complexes with three distinct PIWI proteins. The depletion of individual Piwi genes causes male-specific sterility owing to severe defects in spermatogenesis with no discernible phenotype in female mice. Unlike mice, most other mammals have four PIWI genes, some of which are expressed in the ovary. Here, purification of PIWI complexes from oocytes of the golden hamster revealed that the size of the piRNAs loaded onto PIWIL1 changed during oocyte maturation. In contrast, PIWIL3, an ovary-specific PIWI in most mammals, associates with short piRNAs only in metaphase II oocytes, which coincides with intense phosphorylation of the protein. An improved high-quality genome assembly and annotation revealed that PIWIL1- and PIWIL3-associated piRNAs appear to share the 5′- ends of common piRNA precursors and are mostly derived from unannotated sequences with a diminished contribution from TE-derived sequences, most of which correspond to endogenous retroviruses (ERVs). Although binding sites for the transcription factor A-Myb are identified in the transcription start site regions of the testis piRNA clusters, the piRNA clusters in the ovary show no well-defined binding motifs in their upstream regions. These results show that hamster piRNA clusters are transcribed by different transcriptional factors in the ovary and testis, resulting in the generation of sex-specific piRNAs. Our findings show the complex and dynamic nature of biogenesis of piRNAs in hamster oocytes, and together with the new genome sequence generated, serve as the foundation for developing useful models to study the piRNA pathway in mammalian oocytes. Highlights - The size of PIWIL1-associated piRNAs changes during oocyte maturation - Phosphorylation of PIWIL3 in MII oocytes coincides with its association with small 19-nt piRNAs - Improved high-quality genome assembly and annotation identifies young endogenous retroviruses as major targets of piRNAs in hamster oocytes - PIWIL1- and PIWIL3-associated piRNAs share the 5′-ends of the common piRNA precursors in oocytes

Abstract The paper nautilus, Argonauta argo , also known as the greater argonaut, is a species of octopods distinctly characterized by its pelagic lifestyle and by the presence of a spiral-shaped shell-like eggcase in females. The eggcase functions by protecting the eggs laid inside it, and by building and keeping air intakes for buoyancy. To reveal the genomic background of the species’ adaptation to pelagic lifestyle and the acquisition of its shell-like eggcase, we sequenced the draft genome sequence of the species. The genome size was 1.1 Gb, which is the smallest among the cephalopods known to date, with the top 215 scaffolds (average length 5,064,479 bp) covering 81% (1.09 Gb) of the total assembly. A total of 26,433 protein-coding genes were predicted from 16,802 assembled scaffolds. From these, we identified nearly intact HOX, Parahox, Wnt clusters and some gene clusters probably related to the pelagic lifestyle, such as reflectin, tyrosinase , and opsin . For example, opsin might have undergone an extensive duplication in order to adapt to the pelagic lifestyle, as opposed to other octopuses, which are mostly the benthic. Our gene models also discovered several genes homologous to those related to calcified shell formation in Conchiferan Mollusks, such as Pif-like, SOD, and TRX. Interestingly, comparative genomics analysis revealed that the homologous genes for such genes were also found in the genome of the octopus, which does not have a shell, as well as the basal cephalopods Nautilus . Therefore, the draft genome sequence of A. argo we presented here had not only helped us to gain further insights into the genetic background of the dynamic recruitment and dismissal of genes for the formation of an important, converging extended phenotypic structure such as the shell and the shell-like eggcase, but also the evolution of lifestyles in Cephalopods and the octopods, from benthic to pelagic.

Green feather algae (Bryopsidales) undergo a unique life cycle in which a single cell repeatedly executes nuclear division without cytokinesis, resulting in the development of a thallus (> 100 mm) with characteristic morphology called coenocyte. Bryopsis is a representative coenocytic alga that has exceptionally high regeneration ability: extruded cytoplasm aggregates rapidly in seawater, leading to the formation of protoplasts. However, the genetic basis of the unique cell biology of Bryopsis remains poorly understood. Here, we present a high-quality assembly and annotation of the nuclear genome of Bryopsis sp. (90.7 Mbp, 27 contigs, N50 = 6.7 Mbp, 14,034 protein-coding genes). Comparative genomic analyses indicate that the genes encoding BPL-1/Bryohealin, the aggregation-promoting lectin, are heavily duplicated in Bryopsis, whereas homologous genes are absent in other Ulvophycean algae, suggesting the basis of regeneration capability of Bryopsis. Bryopsis sp. possesses >30 kinesins but only a single myosin, which differs from other green algae that have multiple types of myosin genes. Consistent with this biased motor toolkit, we observed that the bidirectional motility of chloroplasts in the cytoplasm was dependent on microtubules but not actin in Bryopsis sp. Unexpectedly, most genes required for cytokinesis in plants are present in Bryopsis, including those in the SNARE or kinesin superfamily. Nevertheless, a kinesin crucial for cytokinesis initiation in plants (NACK/Kinesin-7II) is hardly expressed in the coenocytic part of the thallus, possibly underlying the lack of cytokinesis in this portion. The present genome sequence lays the foundation for experimental biology in coenocytic macroalgae.

How genetic information is modified to generate phenotypic variation within a species is one of the central questions in evolutionary biology. Here we focus on the striking intraspecific diversity of more than 200 aposematic elytral (forewing) colour patterns of the multicoloured Asian ladybird beetle, Harmonia axyridis, which is regulated by a tightly linked genetic locus h. Our loss-of-function analyses, genetic association studies, de novo genome assemblies, and gene expression data reveal that the GATA transcription factor gene pannier is the major regulatory gene located at the h locus, and suggest that repeated inversions and cis-regulatory modifications at pannier led to the expansion of colour pattern variation in H. axyridis. Moreover, we show that the colour patterning function of pannier is conserved in the seven spotted ladybird beetle, Coccinella septempunctata, suggesting that H. axyridis' extraordinary intra-specific variation may have arisen from ancient modifications in a conserved elytral colour patterning mechanisms in ladybird beetles.