Genetic differences between Arabidopsis thaliana accessions underlie the plant’s extensive phenotypic variation, and until now these have been interpreted largely in the context of the annotated reference accession Col-0. Here we report the sequencing, assembly and annotation of the genomes of 18 natural A. thaliana accessions, and their transcriptomes. When assessed on the basis of the reference annotation, one-third of protein-coding genes are predicted to be disrupted in at least one accession. However, re-annotation of each genome revealed that alternative gene models often restore coding potential. Gene expression in seedlings differed for nearly half of expressed genes and was frequently associated with cis variants within 5 kilobases, as were intron retention alternative splicing events. Sequence and expression variation is most pronounced in genes that respond to the biotic environment. Our data further promote evolutionary and functional studies in A. thaliana, especially the MAGIC genetic reference population descended from these accessions. The genomes and transcriptomes of 18 natural Arabidopsis thaliana strains have been compared with that of Col-0, the most widely used A. thaliana wild type that was sequenced as part of the Arabidopsis Genome Initiative. The comparison has been used to create a comprehensive overview of genetic variability in this classic 'laboratory' plant. Each individual genome was compared with every other individual genome in a 'many-to-many' approach, which maximizes the capture of gene variations.

Stephen Wright, Detlef Weigel and colleagues report the whole-genome sequence of Capsella rubella, a highly selfing crucifer found throughout much of southern and western Europe. They compare mixed-stage flower bud transcriptomes from C. rubella and C. grandiflora, finding a shift in expression of genes associated with flowering phenotypes and providing insights into the transition to selfing. The shift from outcrossing to selfing is common in flowering plants1,2, but the genomic consequences and the speed at which they emerge remain poorly understood. An excellent model for understanding the evolution of self fertilization is provided by Capsella rubella, which became self compatible <200,000 years ago. We report a C. rubella reference genome sequence and compare RNA expression and polymorphism patterns between C. rubella and its outcrossing progenitor Capsella grandiflora. We found a clear shift in the expression of genes associated with flowering phenotypes, similar to that seen in Arabidopsis, in which self fertilization evolved about 1 million years ago. Comparisons of the two Capsella species showed evidence of rapid genome-wide relaxation of purifying selection in C. rubella without a concomitant change in transposable element abundance. Overall we document that the transition to selfing may be typified by parallel shifts in gene expression, along with a measurable reduction of purifying selection.

Despite the central importance of noncoding DNA to gene regulation and evolution, understanding of the extent of selection on plant noncoding DNA remains limited compared to that of other organisms. Here we report sequencing of genomes from three Brassicaceae species (Leavenworthia alabamica, Sisymbrium irio and Aethionema arabicum) and their joint analysis with six previously sequenced crucifer genomes. Conservation across orthologous bases suggests that at least 17% of the Arabidopsis thaliana genome is under selection, with nearly one-quarter of the sequence under selection lying outside of coding regions. Much of this sequence can be localized to approximately 90,000 conserved noncoding sequences (CNSs) that show evidence of transcriptional and post-transcriptional regulation. Population genomics analyses of two crucifer species, A. thaliana and Capsella grandiflora, confirm that most of the identified CNSs are evolving under medium to strong purifying selection. Overall, these CNSs highlight both similarities and several key differences between the regulatory DNA of plants and other species.

To understand the population genetics of structural variants (SVs), and their effects on phenotypes, we developed an approach to mapping SVs, particularly transpositions, segregating in a sequenced population, and which avoids calling SVs directly. The evidence for a potential SV at a locus is indicated by variation in the counts of short-reads that map anomalously to the locus. These SV traits are treated as quantitative traits and mapped genetically, analogously to a gene expression study. Association between an SV trait at one locus and genotypes at a distant locus indicate the origin and target of a transposition. Using ultra-low-coverage (0.3x) population sequence data from 488 recombinant inbred Arabidopsis genomes, we identified 6,502 segregating SVs. Remarkably, 25% of these were transpositions. Whilst many SVs cannot be delineated precisely, PCR validated 83% of 44 predicted transposition breakpoints. We show that specific SVs may be causative for quantitative trait loci for germination, fungal disease resistance and other phenotypes. Further we show that the phenotypic heritability attributable to sequence anomalies differs from, and in the case of time to germination and bolting, exceeds that due to standard genetic variation. Gene expression within SVs is also more likely to be silenced or dysregulated. This approach is generally applicable to large populations sequenced at low-coverage, and complements the prevalent strategy of SV discovery in fewer individuals sequenced at high coverage.

The evolution of species' phenotypes occurs through changes both in protein sequence and gene expression levels. Though much of plant morphological evolution can be explained by changes in gene expression, examining its evolution has challenges. To gain a new perspective on organ evolution in plants, we applied a phylotranscriptomics approach. We combined a phylostratigraphic approach with gene expression based on the strand-specific RNA-seq data from seedling, floral bud, and root of 19 Arabidopsis thaliana accessions to examine the age and sequence divergence of transcriptomes from these organs and how they adapted over time. Our results indicate that, among the sense and antisense transcriptomes of these organs, the sense transcriptomes of seedlings are the evolutionarily oldest across all accessions and are the most conserved in amino acid sequence for most accessions. In contrast, among the sense transcriptomes from these same organs, those from floral bud are evolutionarily youngest and least conserved in sequence for most accessions. Different organs have adaptive peaks at different stages in their evolutionary history, however, from the Magnoliophyta stage to the Brassicale stage, all three organs show a common adaptive signal. Our research is significantbecause it offers novel evolutionary insight on plant organs revealed by phylotranscriptomics.