Abstract Background Advances in DNA sequencing have reduced the difficulty of sequencing and assembling plant genomes. A range of methods for long read sequencing and assembly have been recently compared and we now extend the earlier study and report a comparison with more recent methods. Results Updated Oxford Nanopore Technology software supported improved assemblies. The use of more accurate sequences produced by repeated sequencing of the same molecule (PacBio HiFi) resulted in much less fragmented assembly of sequencing reads. The use of more data to give increased genome coverage resulted in longer contigs (higher N50) but reduced the total length of the assemblies and improved genome completeness (BUSCO). The original model species, Macadamia jansenii , a basal eudicot, was also compared with the 3 other Macadamia species and with avocado ( Persea americana ), a magnoliid, and jojoba ( Simmondsia chinensis ) a core eudicot. In these phylogenetically diverse angiosperms, increasing sequence data volumes also caused a highly linear increase in contig size, decreased assembly length and further improved already high completeness. Differences in genome size and sequence complexity apparently influenced the success of assembly from these different species. Conclusions Advances in long read sequencing technology have continued to significantly improve the results of sequencing and assembly of plant genomes. However, results were consistently improved by greater genome coverage (using an increased number of reads) with the amount needed to achieve a particular level of assembly being species dependant.

ABSTRACT Invasions by fungal plant pathogens pose a significant threat to the health of agriculture ecosystems. Despite limited standing genetic variation, many invasive fungal species can adapt and spread rapidly, resulting in significant losses in crop yields. Here, we report on the population genomics of Colletotrichum truncatum , a polyphagous pathogen that can infect more than 460 plant species, and an invasive pathogen on soybean in Brazil. We study the whole-genome sequences of 18 isolates representing 10 fields from two major regions of soybean production. We show that Brazilian C. truncatum is subdivided into three phylogenetically distinct lineages that exchange genetic variation through hybridization. Introgression affects 2 to 30% of the nucleotides of genomes and varies widely between the lineages. We find that introgressed regions comprise secreted protein-encoding genes, suggesting possible co-evolutionary targets for selection in those regions. We highlight the inherent vulnerability of genetically uniform crops in the agro-ecological environment, particularly when faced with pathogens that can take full advantage of the opportunities offered by an increasingly globalized world. Finally, we discuss “The Means, Motive, and Opportunity” of fungal pathogens and how they can become invasive species of crops. We call for more population genomic studies because such analyses can help identify geographic areas and pathogens that pose a risk, thereby helping to inform control strategies to better protect crops in the future.

Several studies have shown how to leverage allele dosage information to improve the accuracy of genomic selection models in autotetraploids. In this study we expanded the methodology used for genomic selection in autotetraploids to higher (and mixed) ploidy levels. We adapted the models to build covariance matrices of both additive and digenic dominance effects that are subsequently used in genomic selection models. We applied these models using estimates of ploidy and allele dosage to sugarcane and sweet potato datasets and validated our results by also applying the models in simulated data. For the simulated datasets, including allele dosage information led up to 140% higher mean predictive abilities in comparison to using diploidized markers. Including dominance effects was highly advantageous when using diploidized markers, leading to mean predictive abilities which were up to 115% higher in comparison to only including additive effects. When the frequency of heterozygous genotypes in the population was low, such as in the sugarcane and sweet potato datasets, there was little advantage in including allele dosage information in the models. Overall, we show that including allele dosage can improve genomic selection in highly polyploid species under higher frequency of different heterozygous genotypic classes and high dominance degree levels.

Summary Allele-specific expression (ASE) represents differences in the magnitude of expression between alleles of the same gene. This is not straightforward for polyploids, especially autopolyploids, as knowledge about the dose of each allele is required for accurate estimation of ASE. This is the case for the genomically complex Saccharum species, characterized by high levels of ploidy and aneuploidy. We used a Beta-Binomial model to test for allelic imbalance in Saccharum , with adaptations for mixed-ploid organisms. The hierarchical Beta-Binomial model was used to test if allele expression followed the expectation based on genomic allele dosage. The highest frequencies of ASE occurred in sugarcane hybrids, suggesting a possible influence of interspecific hybridization in these genotypes. For all accessions, ASEGs were less frequent than those with balanced allelic expression. These genes were related to a broad range of processes, mostly associated with general metabolism, organelles, responses to stress and responses to stimuli. In addition, the frequency of ASEGs in high-level functional terms was similar among the genotypes, with a few genes associated with more specific biological processes. We hypothesize that ASE in Saccharum is largely a genotype-specific phenomenon, as a large number of ASEGs were exclusive to individual accessions.

ABSTRACT Accurate QTL mapping in outcrossing species requires software programs which consider genetic features of these populations, such as markers with different segregation patterns and different level of information. Although the available mapping procedures to date allow inferring QTL position and effects, they are mostly not based on multilocus genetic maps. Having a QTL analysis based in such maps is crucial since they allow informative markers to propagate their information to less informative intervals of the map. We developed fullsibQTL , a novel and freely available R package to perform composite interval QTL mapping considering outcrossing populations and markers with different segregation patterns. It allows to estimate QTL position, effects, segregation patterns, and linkage phase with flanking markers. Additionally, several statistical and graphical tools are implemented, for straightforward analysis and interpretations. fullsibQTL is an R open source package with C and R source code (GPLv3). It is multiplatform and can be installed from https://github.com/augusto-garcia/fullsibQTL .

Abstract Multiple genes in sugarcane control sucrose accumulation and the biosynthesis of cell wall components; however, it is unclear how these genes are expressed in its apical culms. To better understand this process, we sequenced mRNA from +1 stem internodes collected from four genotypes with different concentrations of soluble solids. Culms were collected at four different time points, ranging from six to 12-month-old plants. Here we show differentially expressed genes related to sucrose metabolism and cell wall biosynthesis, including genes encoding invertases, sucrose synthase and cellulose synthase. Our results showed increased expression of invertases in IN84-58, the genotype with lower sugar and higher fiber content, as well as delayed expression of secondary cell wall-related cellulose synthase for the other genotypes. Interestingly, genes involved with hormone metabolism were differentially expressed across time points in the three genotypes with higher soluble solids content. A similar result was observed for genes controlling maturation and transition to reproductive stages, possibly a result of selection against flowering in sugarcane breeding programs. These results indicate that carbon partitioning in apical culms of contrasting genotypes is mainly associated with differential cell wall biosynthesis, and may include early modifications for subsequent sucrose accumulation. Co-expression network analysis identified transcription factors related to growth and development, showing a probable time shift for carbon partitioning occurred in 10-month-old plants.

Sugarcane ( Saccharum spp.) holds significant economic importance in sugar and biofuel production. Despite extensive research, understanding highly quantitative traits, such as sucrose content, remains challenging due to the complex genomic landscape of the crop. In this study, we conducted a multiomic investigation to elucidate the genetic architecture and molecular mechanisms governing sucrose accumulation in sugarcane. Using a biparental cross (IACSP95-3018 × IACSP93-3046) and a genetically diverse collection of sugarcane genotypes, we evaluated the soluble solids (Brix) and sucrose content (POL) across various years and environments. Both populations were genotyped using a genotyping-by-sequencing (GBS) approach, with single nucleotide polymorphisms (SNPs) identified via bioinformatics pipelines. Genotype‒phenotype associations were established using a combination of traditional linear mixed-effect models and machine learning algorithms. Furthermore, we conducted an RNA sequencing (RNA-Seq) experiment on genotypes exhibiting distinct Brix and POL profiles across different developmental stages. Differentially expressed genes (DEGs) potentially associated with variations in sucrose accumulation were identified. All findings were integrated through a comprehensive gene coexpression network analysis. Strong correlations among the evaluated characteristics were observed, with estimates of modest to high heritabilities. By leveraging a broad set of SNPs identified for both populations, we identified several SNPs potentially linked to phenotypic variance. Our examination of genes close to these markers facilitated the association of such SNPs with DEGs in genotypes with contrasting sucrose levels. Through the integration of these results with a gene coexpression network, we delineated a set of genes potentially involved in the regulatory mechanisms of sucrose accumulation in sugarcane, collectively contributing to the definition of this critical phenotype. Our findings constitute a significant resource for biotechnology and plant breeding initiatives. Furthermore, our genotype‒phenotype association models hold promise for application in genomic selection, offering valuable insights into the molecular underpinnings governing sucrose accumulation in sugarcane.

Abstract The protein kinase (PK) superfamily is one of the largest superfamilies in plants and is the core regulator of cellular signaling. Even considering this substantial importance, the kinomes of sugarcane and sorghum have not been profiled. Here we identified and profiled the complete kinomes of the polyploid Saccharum spontaneum (Ssp) and Sorghum bicolor (Sbi), a close diploid relative. The Sbi kinome was composed of 1,210 PKs; for Ssp, we identified 2,919 PKs when disregarding duplications and allelic copies, which were related to 1,345 representative gene models. The Ssp and Sbi PKs were grouped into 20 groups and 120 subfamilies and exhibited high compositional similarities and evolutionary divergences. By utilizing the collinearity between these species, this study offers insights about Sbi and Ssp speciation, PK differentiation and selection. We assessed the PK subfamily expression profiles via RNA-Seq, identifying significant similarities between Sbi and Ssp. Moreover, through coexpression networks, we inferred a core structure of kinase interactions with specific key elements. This study is the first to categorize the allele specificity of a kinome and provides a wide reservoir of molecular and genetic information, enhancing the understanding of the evolutionary history of Sbi and Ssp PKs. Highlight This study describes the catalog of kinase gene family in Saccharum spontaneum and Sorghum bicolor , providing a reservoir of molecular features and expression patterns based on RNA-Seq and co-expression networks.

ABSTRACT Many developmental processes associated with fruit development take place at the floral meristem (FM). Age-regulated microRNA156 (miR156) and gibberellins (GA) interact to control flowering time, but their interplay in subsequent stages of reproductive development is poorly understood. Here, we show that GA and miR156 function in tomato FM and fruit patterning. High GA responses or overexpression of miR156 (156OE), which leads to low levels of miR156-targeted SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN– LIKE ( SPL/SBP ), resulted in enlarged FMs, defects in FM determinacy and fruits with increased locule number. Conversely, low GA responses reduced fruit indeterminacy and locule number, and overexpression of a miR156-resistant SlSBP15 allele ( rSBP15 ) reduced cell number and size in the FM, as well as locule number. GA responses were partially required for the fruit defects observed in 156OE and rSBP15 plants. Transcriptome analysis and genetic interactions revealed shared and divergent functions of miR156-targeted SlSBPs, PROCERA/DELLA and the classical WUSCHEL/CLAVATA pathway, which has been previously associated with meristem size and determinacy. Our findings reveal that the miR156/ SlSBP /GA regulatory module is deployed differently depending on developmental stage and create novel opportunities to genetically fine-tune aspects of fruit development that have been important for tomato domestication.