The bacterial CRISPR-Cas9 system has emerged as an effective tool for sequence-specific gene knockout through non-homologous end joining (NHEJ), but it remains inefficient for precise editing of genome sequences. Here we develop a reporter-based screening approach for high-throughput identification of chemical compounds that can modulate precise genome editing through homology-directed repair (HDR). Using our screening method, we have identified small molecules that can enhance CRISPR-mediated HDR efficiency, 3-fold for large fragment insertions and 9-fold for point mutations. Interestingly, we have also observed that a small molecule that inhibits HDR can enhance frame shift insertion and deletion (indel) mutations mediated by NHEJ. The identified small molecules function robustly in diverse cell types with minimal toxicity. The use of small molecules provides a simple and effective strategy to enhance precise genome engineering applications and facilitates the study of DNA repair mechanisms in mammalian cells.

Abstract In the conventional view, species are separate gene pools delineated by reproductive isolation (RI). However, species may also be delineated by merely a small set of “speciation genes” without full RI. It is thus important to know whether “good species” (defined by the “secondary sympatry” test) do continue to exchange genes. Here, we carry out sequencing and de novo high-quality assembly of the genomes of two closely related mangrove species ( Rhizophora mucronata and R. stylosa ). Whole-genome re-sequencing of individuals across their range on the tropical coasts shows their genomes to be well delineated in allopatry. They became sympatric in northeastern Australia but remain distinct species in contact. Nevertheless, their genomes harbor ∼ 4,000 to 10,000 introgression blocks, each averaging only about 3-4 Kb. These fine-grained introgressions indicate that gene flow has continued long after speciation. Non-introgressable “genomic islets,” averaging only 1.4 Kb, may contribute to speciation as they often harbor diverging genes underlying flower development and gamete production. In conclusion, RI needs not be the main criterion of species delineation even though all species would eventually be fully reproductively isolated.

Abstract Mangroves have colonized extreme intertidal environments characterized by high salinity, hypoxia, and other abiotic stresses. During millions of years of evolution, mangroves have adapted to these habitats, evolving a series of highly specialized traits. Aegiceras corniculatum , a pioneer mangrove species that evolved salt secretion and crypto-vivipary, is an attractive ecological model to investigate molecular mechanisms underlying adaptation to intertidal environments. Here we report a high-quality reference genome of A. corniculatum using the PacBio SMRT sequencing technology, comprising 827 Megabases (Mb) and containing 32,092 protein-coding genes. The longest scaffold and N50 for the assembled genome are 13.76 Mb and 3.87 Mb. Comparative and evolutionary analyses revealed that A. corniculatum experienced a whole-genome duplication (WGD) event around 35 million years ago after the divergence between Aegiceras and Primula . We inferred that maintenance of cellular environmental homeostasis is an important adaptive process in A. corniculatum . The 14-3-3 protein-coding genes were retained after the recent WGD event, decoding a calcium signal to regulate Na + homeostasis. A. corniculatum has more H + -ATPase coding genes, essential for the maintenance of low Na + concentration in the cells, than its relatives. Photosynthesis and oxidative-phosphorylation pathways are overrepresented among significantly expanded gene families and might supply the energy needed for salt secretion. Genes involved in natural antioxidant biosynthesis, contributing to scavenging reactive oxygen species against high salinity, have also increased in copy number. We also found that all homologs of DELAY OF GERMINATION1 ( DOG1 ), a pivotal regulator of seed dormancy, lost their heme-binding ability in A. corniculatum . This loss may contribute to crypto-vivipary. Our study provides a valuable resource to investigate molecular adaptation to extreme environments in mangroves.

Abstract Climate change globally and sea level rise affect the mangrove ecosystem. The high diversity and temporal heterogeneity of the mangrove ecosystem will lead to a high diversity of sediment bacterial community structure and function. However, seasonal variations and potential assembly mechanisms of sediment bacterial communities in mangrove ecosystems remain to be discovered. We collected rhizosphere sediments and bulk sediments from Kandelia obovata and Aegiceras corniculatum at three locations covering Dongzhai Harbour in spring, summer, autumn, and winter, and sequenced 16S rRNAs. The results indicated that the alpha and beta diversity of bacterial communities in mangrove sediments differed significantly between seasons, and the bacterial communities in rhizosphere sediments had smaller seasonal changes and were more stable than those in bulk sediment bacterial communities. The seasonal changes in carbon, nitrogen content, and pH were the main influencing factors. The stochastic process dominated the assembly of bacterial communities in mangrove sediments. The assembly of bacterial communities varies between seasons. We found that the proportion of dispersal limitation was significantly negatively correlated with the carbon and nitrogen content in the sediment. Compared with bulk components, the dispersal limitation of bacterial communities in rhizosphere sediments accounted for a lower proportion of community construction, which might be caused by higher carbon and nitrogen content conditions in rhizosphere sediments. We found that beta diversity based on Bray-Curtis distance was significantly positively correlated with dispersal limitation, which explained why the beta diversity of bacterial communities in rhizosphere sediments was significantly lower than that of bulk components. This study increases the understanding of the responses of mangrove bacterial communities to seasonal change and may be beneficial for the protection of mangrove ecosystems in the face of climate change.

Using population genomics and molecular biological methods, a recent study reveals the molecular mechanisms of vivipary in mangroves, a term designating all woody plants of the tropical intertidal zones.

Increased human activity and climate change have significantly impacted wild habitats and increased the number of endangered species. Exploring evolutionary history and predicting adaptive potential using genomic data will facilitate species conservation and biodiversity recovery. Here, we examined the genome evolution of a critically endangered tree Pellacalyx yunnanensis, a plant species with extremely small populations (PSESP) that is narrowly distributed in Xishuangbanna, China. The species has neared extinction due to economic exploitation in recent decades. We assembled a chromosome-level genome of 334 Mb, with the N50 length of 20.5 Mb. Using the genome, we discovered that P. yunnanensis has undergone several population size reductions, leading to excess deleterious mutations. The species may possess low adaptive potential due to reduced genetic diversity and the loss of stress-responsive genes. We estimate that P. yunnanensis is the basal species of its genus and diverged from its relatives during global cooling, suggesting it was stranded in unsuitable environments during periods of dramatic climate change. In particular, the loss of seed dormancy leads to germination under unfavourable conditions and reproduction challenges. This dormancy loss may have occurred through genetic changes that suppress ABA signalling and the loss of genes involved in seed maturation. The high-quality genome has also enabled us to reveal phenotypic trait evolution in Rhizophoraceae and identify divergent adaptation to intertidal and inland habitats. In summary, our study elucidates mechanisms underlying the decline and evaluates the adaptive potential of P. yunnanensis to future climate change, informing future conservation efforts.