We resequenced 876 short fragments in a sample of 96 individuals of Arabidopsis thaliana that included stock center accessions as well as a hierarchical sample from natural populations. Although A. thaliana is a selfing weed, the pattern of polymorphism in general agrees with what is expected for a widely distributed, sexually reproducing species. Linkage disequilibrium decays rapidly, within 50 kb. Variation is shared worldwide, although population structure and isolation by distance are evident. The data fail to fit standard neutral models in several ways. There is a genome-wide excess of rare alleles, at least partially due to selection. There is too much variation between genomic regions in the level of polymorphism. The local level of polymorphism is negatively correlated with gene density and positively correlated with segmental duplications. Because the data do not fit theoretical null distributions, attempts to infer natural selection from polymorphism data will require genome-wide surveys of polymorphism in order to identify anomalous regions. Despite this, our data support the utility of A. thaliana as a model for evolutionary functional genomics.

A potentially serious disadvantage of association mapping is the fact that marker-trait associations may arise from confounding population structure as well as from linkage to causative polymorphisms. Using genome-wide marker data, we have previously demonstrated that the problem can be severe in a global sample of 95 Arabidopsis thaliana accessions, and that established methods for controlling for population structure are generally insufficient. Here, we use the same sample together with a number of flowering-related phenotypes and data-perturbation simulations to evaluate a wider range of methods for controlling for population structure. We find that, in terms of reducing the false-positive rate while maintaining statistical power, a recently introduced mixed-model approach that takes genome-wide differences in relatedness into account via estimated pairwise kinship coefficients generally performs best. By combining the association results with results from linkage mapping in F2 crosses, we identify one previously known true positive and several promising new associations, but also demonstrate the existence of both false positives and false negatives. Our results illustrate the potential of genome-wide association scans as a tool for dissecting the genetics of natural variation, while at the same time highlighting the pitfalls. The importance of study design is clear; our study is severely under-powered both in terms of sample size and marker density. Our results also provide a striking demonstration of confounding by population structure. While statistical methods can be used to ameliorate this problem, they cannot always be effective and are certainly not a substitute for independent evidence, such as that obtained via crosses or transgenic experiments. Ultimately, association mapping is a powerful tool for identifying a list of candidates that is short enough to permit further genetic study.

The genomes of individuals from the same species vary in sequence as a result of different evolutionary processes. To examine the patterns of, and the forces shaping, sequence variation in Arabidopsis thaliana, we performed high-density array resequencing of 20 diverse strains (accessions). More than 1 million nonredundant single-nucleotide polymorphisms (SNPs) were identified at moderate false discovery rates (FDRs), and approximately 4% of the genome was identified as being highly dissimilar or deleted relative to the reference genome sequence. Patterns of polymorphism are highly nonrandom among gene families, with genes mediating interaction with the biotic environment having exceptional polymorphism levels. At the chromosomal scale, regional variation in polymorphism was readily apparent. A scan for recent selective sweeps revealed several candidate regions, including a notable example in which almost all variation was removed in a 500-kilobase window. Analyzing the polymorphisms we describe in larger sets of accessions will enable a detailed understanding of forces shaping population-wide sequence variation in A. thaliana.

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.

Alleles that are under selection in Arabidopsis serve as genetic markers that can be used to predict local adaptation.

Arabidopsis thaliana is native to Eurasia and is naturalized across the world. Its ability to be easily propagated and its high phenotypic variability make it an ideal model system for functional, ecological and evolutionary genetics. To date, analyses of the natural genetic variation of A. thaliana have involved small numbers of individual plants or genetic markers. Here we genotype 1,307 worldwide accessions, including several regional samples, using a 250K SNP chip. This allowed us to produce a high-resolution description of the global pattern of genetic variation. We applied three complementary selection tests and identified new targets of selection. Further, we characterized the pattern of historical recombination in A. thaliana and observed an enrichment of hotspots in its intergenic regions and repetitive DNA, which is consistent with the pattern that is observed for humans but which is strikingly different from that observed in other plant species. We have made the seeds we used to produce this Regional Mapping (RegMap) panel publicly available. This panel comprises one of the largest genomic mapping resources currently available for global natural isolates of a non-human species.

There is currently tremendous interest in the possibility of using genome-wide association mapping to identify genes responsible for natural variation, particularly for human disease susceptibility. The model plant Arabidopsis thaliana is in many ways an ideal candidate for such studies, because it is a highly selfing hermaphrodite. As a result, the species largely exists as a collection of naturally occurring inbred lines, or accessions, which can be genotyped once and phenotyped repeatedly. Furthermore, linkage disequilibrium in such a species will be much more extensive than in a comparable outcrossing species. We tested the feasibility of genome-wide association mapping in A. thaliana by searching for associations with flowering time and pathogen resistance in a sample of 95 accessions for which genome-wide polymorphism data were available. In spite of an extremely high rate of false positives due to population structure, we were able to identify known major genes for all phenotypes tested, thus demonstrating the potential of genome-wide association mapping in A. thaliana and other species with similar patterns of variation. The rate of false positives differed strongly between traits, with more clinal traits showing the highest rate. However, the false positive rates were always substantial regardless of the trait, highlighting the necessity of an appropriate genomic control in association studies.

We used polymorphism analysis to study the evolutionary dynamics of 27 disease resistance (R) genes by resequencing the leucine-rich repeat (LRR) region in 96 Arabidopsis thaliana accessions. We compared single nucleotide polymorphisms (SNPs) in these R genes to an empirical distribution of SNP in the same sample based on 876 fragments selected to sample the entire genome. LRR regions are highly polymorphic for protein variants but not for synonymous changes, suggesting that they generate many alleles maintained for short time periods. Recombination is also relatively common and important for generating protein variants. Although none of the genes is nearly as polymorphic as RPP13, a locus previously shown to have strong signatures of balancing selection, seven genes show weaker indications of balancing selection. Five R genes are relatively invariant, indicating young alleles, but all contain segregating protein variants. Polymorphism analysis in neighboring fragments yielded inconclusive evidence for recent selective sweeps at these loci. In addition, few alleles are candidates for rapid increases in frequency expected under directional selection. Haplotype sharing analysis revealed significant underrepresentation of R gene alleles with extended haplotypes compared with 1102 random genomic fragments. Lack of convincing evidence for directional selection or selective sweeps argues against an arms race driving R gene evolution. Instead, the data support transient or frequency-dependent selection maintaining protein variants at a locus for variable time periods.

Bread wheat is an allopolyploid species with a large, highly repetitive genome. To investigate the impact of selection on variants distributed among homoeologous wheat genomes and to build a foundation for understanding genotype-phenotype relationships, we performed population-scale re-sequencing of a diverse panel of wheat lines.A sample of 62 diverse lines was re-sequenced using the whole exome capture and genotyping-by-sequencing approaches. We describe the allele frequency, functional significance, and chromosomal distribution of 1.57 million single nucleotide polymorphisms and 161,719 small indels. Our results suggest that duplicated homoeologous genes are under purifying selection. We find contrasting patterns of variation and inter-variant associations among wheat genomes; this, in addition to demographic factors, could be explained by differences in the effect of directional selection on duplicated homoeologs. Only a small fraction of the homoeologous regions harboring selected variants overlapped among the wheat genomes in any given wheat line. These selected regions are enriched for loci associated with agronomic traits detected in genome-wide association studies.Evidence suggests that directional selection in allopolyploids rarely acted on multiple parallel advantageous mutations across homoeologous regions, likely indicating that a fitness benefit could be obtained by a mutation at any one of the homoeologs. Additional advantageous variants in other homoelogs probably either contributed little benefit, or were unavailable in populations subjected to directional selection. We hypothesize that allopolyploidy may have increased the likelihood of beneficial allele recovery by broadening the set of possible selection targets.