The spider mite Tetranychus urticae is a cosmopolitan agricultural pest with an extensive host plant range and an extreme record of pesticide resistance. Here we present the completely sequenced and annotated spider mite genome, representing the first complete chelicerate genome. At 90 megabases T. urticae has the smallest sequenced arthropod genome. Compared with other arthropods, the spider mite genome shows unique changes in the hormonal environment and organization of the Hox complex, and also reveals evolutionary innovation of silk production. We find strong signatures of polyphagy and detoxification in gene families associated with feeding on different hosts and in new gene families acquired by lateral gene transfer. Deep transcriptome analysis of mites feeding on different plants shows how this pest responds to a changing host environment. The T. urticae genome thus offers new insights into arthropod evolution and plant–herbivore interactions, and provides unique opportunities for developing novel plant protection strategies. The genome of the spider mite Tetranychus urticae is sequenced, providing insights into its polyphagous feeding, silk production, hormonal repertoire and reduced Hox cluster. The spider mite (Tetranychus urticae) is a common agricultural pest that feeds on a wide range of hosts — including maize (corn), soya, tomatoes and peppers — and is notoriously resistant to pesticides. Its genome has now been sequenced and analysed, providing insights into its hormonal repertoire and the evolution of silk production. Transcriptome analysis of mites feeding on different plants reveals how this pest defends itself in a changing host environment and gives pointers to possible non-pesticide plant-protection strategies. The genome encodes 17 fibroin genes, and physical tests of spider-mite silk show it to be a natural nanomaterial with fibres that are more than 100 times thinner than those produced by silk spiders.

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.

Epigenome modulation potentially provides a mechanism for organisms to adapt, within and between generations. However, neither the extent to which this occurs, nor the mechanisms involved are known. Here we investigate DNA methylation variation in Swedish Arabidopsis thaliana accessions grown at two different temperatures. Environmental effects were limited to transposons, where CHH methylation was found to increase with temperature. Genome-wide association studies (GWAS) revealed that the extensive CHH methylation variation was strongly associated with genetic variants in both cis and trans, including a major trans-association close to the DNA methyltransferase CMT2. Unlike CHH methylation, CpG gene body methylation (GBM) was not affected by growth temperature, but was instead correlated with the latitude of origin. Accessions from colder regions had higher levels of GBM for a significant fraction of the genome, and this was associated with increased transcription for the genes affected. GWAS revealed that this effect was largely due to trans-acting loci, many of which showed evidence of local adaptation.

Rock pigeons (Columba livia) display an extraordinary array of pigment pattern variation. One such pattern, Almond, is characterized by a variegated patchwork of plumage colors that are distributed in an apparently random manner. Almond is a sex-linked, semi-dominant trait controlled by the classical Stipper (St) locus. Heterozygous males (ZStZ+ sex chromosomes) and hemizygous Almond females (ZStW) are favored by breeders for their attractive plumage. In contrast, homozygous Almond males (ZStZSt) develop severe eye defects and lack all plumage pigmentation, suggesting that higher dosage of the mutant allele is deleterious. To determine the molecular basis of Almond, we compared the genomes of Almond pigeons to non-Almond pigeons and identified a candidate St locus on the Z chromosome. We found a copy number variant (CNV) within the differentiated region that captures complete or partial coding sequences of four genes, including the melanosome maturation gene Mlana. We did not find fixed coding changes in genes within the CNV, but all genes are misexpressed in regenerating feather bud collar cells of Almond birds. Notably, six other alleles at the St locus are associated with depigmentation phenotypes, and all exhibit expansion of the same CNV. Structural variation at St is linked to diversity in plumage pigmentation and gene expression, and thus provides a potential mode of rapid phenotypic evolution in pigeons.

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.

Birds and other vertebrates display stunning variation in pigmentation patterning, yet the genes controlling this diversity remain largely unknown. Rock pigeons (Columba livia) are fundamentally one of four color pattern phenotypes, in decreasing order of melanism: T-check, checker, bar (ancestral), or barless. Using whole-genome scans, we identified NDP as a candidate gene for this variation. Allele-specific expression differences in NDP indicate cis-regulatory differences between ancestral and melanistic alleles. Sequence comparisons suggest that derived alleles originated in the speckled pigeon (Columba guinea), providing a striking example of introgression of alleles that are favored by breeders and are potentially advantageous in the wild. In contrast, barless rock pigeons have an increased incidence of vision defects and, like two human families with hereditary blindness, carry start-codon mutations in NDP. In summary, we find unexpected links between color pattern, introgression, and vision defects associated with regulatory and coding variation at a single locus.

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.