Abstract Identifying causative genes for a target trait in conifer reproduction is challenging for species lacking whole-genome sequences. In this study, we searched for the male-sterility gene ( MS1 ) in Cryptomeria japonica , aiming to promote marker-assisted selection (MAS) of male-sterile C. japonica to reduce the pollinosis caused by pollen dispersal from artificial C. japonica forests in Japan. We searched for mRNA sequences expressed in male strobili and found the gene CJt020762, coding for a lipid transfer protein containing a 4-bp deletion specific to male-sterile individuals. We also found a 30-bp deletion by sequencing the entire gene of another individual with the ms1 . All nine breeding materials with the allele ms1 had either a 4-bp or 30-bp deletion in gene CJt020762, both of which are expected to result in faulty gene transcription and function. Furthermore, the 30-bp deletion was detected from three of five individuals in the Ishinomaki natural forest. From our findings, CJt020762 was considered to be the causative gene of MS1 . Thus, by performing MAS using two deletion mutations as a DNA marker, it will be possible to find novel breeding materials of C. japonica with the allele ms1 adapted to the unique environment of each region of the Japanese archipelago.

Abstract The ribosomal RNA-encoding gene (rDNA) has a characteristic genomic nature: tens to thousands of copies in a genome, tandemly repeated structure, and intragenomic sequence homogeneity. These features contribute to ribosome productivity via physiological and evolutionary processes. We reported previously the exceptional absence of these features in the model arbuscular mycorrhizal (AM) fungus Rhizophagus irregularis. Here we examine the phylogenetic distribution of the exceptional rDNA features in the genus Rhizophagus via improving the genome sequence of R. clarus. Cross-species comparison indicated similarity of their rDNAs not only in the genomic features but also in the distribution of intragenomic polymorphic sites on the paralogs. Ribosomal RNA comprises multiple domains with different functions. The two Rhizophagus species commonly exhibited a variation enrichment site, ES27L, which is related to translational fidelity and antibiotic sensitivity. Variation enrichment on ES27L has not been observed in other organisms lacking the three rDNA features such as malaria parasites and Cyanidioschyzon merolae. Expression profiling of rDNAs in R. irregularis revealed that rDNA paralogs are expressed differently in association with host plant species. Our results suggest a broad distribution of the disarranged rDNA across AM fungi and its involvement in the successful association with the broad range of host species.

Abstract Objective Due to the allergic nature of the pollen of Cryptomeria japonica , the most important Japanese forestry conifer, a pollen-free cultivar is preferred. Mutant trees detected in nature have been used for the production of a pollen-free cultivar. In order to reduce the time and cost needed for the production and breeding, we aimed to develop simple diagnostic molecular markers for mutant alleles of the causative gene MALE STERILITY 1 ( MS1 ) in C. japonica . The expected function of this gene, its two dysfunctional mutations, and genetic diversity were described recently in a related study. Results We have developed PCR and LAMP markers to detect mutant alleles and to present experimental options depending on available laboratory equipment. At field stations, where PCR machines are not available, LAMP markers were developed. LAMP only needs heat-blocks or a water bath to perform the isothermal amplification and assay results can be easily seen by eye. Because the causative mutations were deletions, two kinds of PCR markers, amplified length polymorphism (ALP) and allele specific PCR (ASP) markers, were developed. These assays can be carried out by capillary or agarose gel electrophoresis.

Abstract Beetles are the largest insect order and one of the most successful animal groups in terms of number of species. The Japanese rhinoceros beetle Trypoxylus dichotomus (Coleoptera, Scarabaeidae, Dynastini) is a giant beetle with distinctive exaggerated horns present on the head and prothoracic regions of the male. T. dichotomus has been used as research model in various fields such as evolutionary developmental biology, ecology, ethology, biomimetics, and drug discovery. In this study, de novo assembly of 615 Mb, representing 80% of the genome estimated by flow cytometry, was obtained using the 10x Chromium platform. The scaffold N50 length of the genome assembly was 8.02 Mb, with repetitive elements predicted to comprise 49.5% of the assembly. In total, 23,987 protein-coding genes were predicted in the genome. In addition, de novo assembly of the mitochondrial genome yielded a contig of 20,217 bp. We also analyzed the transcriptome by generating 16 RNA-seq libraries from a variety of tissues of both sexes and developmental stages, which allowed us to identify 13 co-expressed gene modules. The detailed genomic and transcriptomic information of T. dichotomus is the most comprehensive among those reported for any species of Dynastinae. This genomic information will be an excellent resource for further functional and evolutionary analyses, including the evolutionary origin and genetic regulation of beetle horns and the molecular mechanisms underlying sexual dimorphism.

ABSTRACT Root-knot nematodes (RKNs) are among the most devastating pests in agriculture. Solanum torvum Sw. (turkey berry) has been used as a rootstock for eggplant (aubergine) cultivation because of its resistance to RKNs, including Meloidogyne incognita and M. arenaria . We previously found that a pathotype of M. arenaria , A2-J, is able to infect and propagate in S. torvum. In vitro infection assays showed that S. torvum induces the accumulation of brown pigments during avirulent pathotype A2-O infection, but not during virulent A2-J infection. This experimental system is advantageous because resistant and susceptible responses can be distinguished within a few days, and because a single plant genome can yield information about both resistant and susceptible responses. Comparative RNA-sequencing analysis of S. torvum inoculated with A2-J and A2-O at early stages of infection was used to parse the specific resistance and susceptible responses. Infection with A2-J did not induce statistically significant changes in gene expression within one day post-inoculation (DPI), but afterward, A2-J specifically induced the expression of chalcone synthase, spermidine synthase, and genes related to cell wall modification and transmembrane transport. Infection with A2-O rapidly induced the expression of genes encoding class III peroxidases, sesquiterpene synthases, and fatty acid desaturases at 1 DPI, followed by genes involved in defense, hormone signaling, and the biosynthesis of lignin at 3 DPI. Both isolates induced the expression of suberin biosynthetic genes, which may be triggered by wounding during nematode infection. Histochemical analysis revealed that A2-O, but not A2-J, induced lignin accumulation at the root tip, suggesting that physical reinforcement of cell walls with lignin is an important defense response against nematodes. The S. torvum -RKN system can provide a molecular basis for understanding plant-nematode interactions.

Arbuscular mycorrhizal fungus (AMF) species are one of the most widespread symbionts of land plants. Our substantially improved reference genome assembly of a model AMF, Rhizophagus irregularis DAOM-181602 (total contigs = 210), facilitated discovery of repetitive elements with unusual characteristics. R. irregularis has only ten or eleven copies of complete 45S rDNAs, whereas the general eukaryotic genome has tens to thousands of rDNA copies. R. irregularis rDNAs are highly heterogeneous and lack a tandem repeat structure. These findings provide evidence for the hypothesis that rDNA heterogeneity depends on the lack of tandem repeat structures. RNA-Seq analysis confirmed that all rDNA variants are actively transcribed. Observed rDNA/rRNA polymorphisms may modulate translation by using different ribosomes depending on biotic and abiotic interactions. The non-tandem repeat structure and intragenomic heterogeneity of AMF rDNA/rRNA may facilitate adaptation to a various environmental condition including the broad host range.