Abstract Here, we present a major advance of the OrthoFinder method. This extends OrthoFinder’s high accuracy orthogroup inference to provide phylogenetic inference of orthologs, rooted gene trees, gene duplication events, the rooted species tree, and comparative genomics statistics. Each output is benchmarked on appropriate real or simulated datasets, and where comparable methods exist, OrthoFinder is equivalent to or outperforms these methods. Furthermore, OrthoFinder is the most accurate ortholog inference method on the Quest for Orthologs benchmark test. Finally, OrthoFinder’s comprehensive phylogenetic analysis is achieved with equivalent speed and scalability to the fastest, score-based heuristic methods. OrthoFinder is available at https://github.com/davidemms/OrthoFinder .

Identifying homology relationships between sequences is fundamental to biological research. Here we provide a novel orthogroup inference algorithm called OrthoFinder that solves a previously undetected gene length bias in orthogroup inference, resulting in significant improvements in accuracy. Using real benchmark datasets we demonstrate that OrthoFinder is more accurate than other orthogroup inference methods by between 8 % and 33 %. Furthermore, we demonstrate the utility of OrthoFinder by providing a complete classification of transcription factor gene families in plants revealing 6.9 million previously unobserved relationships.

TransRate is a tool for reference-free quality assessment of de novo transcriptome assemblies. Using only the sequenced reads and the assembly as input, we show that multiple common artifacts of de novo transcriptome assembly can be readily detected. These include chimeras, structural errors, incomplete assembly, and base errors. TransRate evaluates these errors to produce a diagnostic quality score for each contig, and these contig scores are integrated to evaluate whole assemblies. Thus, TransRate can be used for de novo assembly filtering and optimization as well as comparison of assemblies generated using different methods from the same input reads. Applying the method to a data set of 155 published de novo transcriptome assemblies, we deconstruct the contribution that assembly method, read length, read quantity, and read quality make to the accuracy of de novo transcriptome assemblies and reveal that variance in the quality of the input data explains 43% of the variance in the quality of published de novo transcriptome assemblies. Because TransRate is reference-free, it is suitable for assessment of assemblies of all types of RNA, including assemblies of long noncoding RNA, rRNA, mRNA, and mixed RNA samples.

Circular RNAs are found in a wide range of organisms and it has been proposed that they perform disparate functions. However, how RNA circularization is connected to alternative splicing remains largely unexplored. Here, we stimulated primary human endothelial cells with tumor necrosis factor α or tumor growth factor β, purified RNA, generated > 2.4 billion RNA-seq reads, and used a custom pipeline to characterize circular RNAs derived from coding exons. We find that circularization of exons is widespread and correlates with exon skipping, a feature that adds considerably to the regulatory complexity of the human transcriptome.

The correct interpretation of any phylogenetic tree is dependent on that tree being correctly rooted. We present STRIDE, a fast, effective, and outgroup-free method for identification of gene duplication events and species tree root inference in large-scale molecular phylogenetic analyses. STRIDE identifies sets of well-supported in-group gene duplication events from a set of unrooted gene trees, and analyses these events to infer a probability distribution over an unrooted species tree for the location of its root. We show that STRIDE correctly identifies the root of the species tree in multiple large-scale molecular phylogenetic data sets spanning a wide range of timescales and taxonomic groups. We demonstrate that the novel probability model implemented in STRIDE can accurately represent the ambiguity in species tree root assignment for data sets where information is limited. Furthermore, application of STRIDE to outgroup-free inference of the origin of the eukaryotic tree resulted in a root probability distribution that provides additional support for leading hypotheses for the origin of the eukaryotes.

TransRate is a tool for reference-free quality assessment of de novo transcriptome assemblies. Using only sequenced reads as the input, TransRate measures the quality of individual contigs and whole assemblies, enabling assembly optimization and comparison. TransRate can accurately evaluate assemblies of conserved and novel RNA molecules of any kind in any species. We show that it is more accurate than comparable methods and demonstrate its use on a variety of data.

Abstract Convergent trait evolution is a recurrent phenomenon in all domains of the tree of life. While some convergent traits are caused by simple sequence changes, many are associated with extensive changes to the sequence and regulation of large cohorts of genes. It is unknown how organisms traverse this expansive genotype space to assemble such complex convergent phenotypes. C 4 photosynthesis is a paradigm of large-scale phenotypic convergence. Conceptual and mathematical models propose that C 4 photosynthesis evolved from ancestral C 3 photosynthesis through sequential adaptive changes. These adaptive changes could have been rapidly assembled if modifications to the activity and abundance of enzymes of the C 4 cycle was neutral in C 3 plants. This neutrality would enable populations of C 3 plants to maintain genotypes with expression levels of C 4 enzymes analogous to those in C 4 species and thus enable rapid assembly of a functional C 4 cycle from naturally occurring genotypes given shared environmental selection. Here we show that there is substantial natural variation in expression of genes encoding C 4 cycle enzymes between natural accessions of the C 3 plant Arabidopsis thaliana . We further show through targeted transgenic experiments in the C 3 crop Oryza sativa , that high expression of the majority of C 4 cycle enzymes in rice is neutral with respect to growth, development, biomass and photosynthesis. Thus, substantial variation in the abundance and activity of C 4 cycle enzymes is permissible within the limits of operation of C 3 photosynthesis and the emergence of component parts of this complex convergent trait can be facilitated by neutral variation.

Abstract Rubisco is the primary entry point for carbon into the biosphere. However, rubisco is widely regarded as inefficient leading many to question whether the enzyme can adapt to become a better catalyst. Through a phylogenetic investigation of the molecular and kinetic evolution of Form I rubisco we demonstrate that rubisco is not stagnant. Instead, we demonstrate rbcL is among the 1% of slowest evolving genes and enzymes on Earth, accumulating one nucleotide substitution every 0.9 million years and one amino acid mutation every 7.2 million years. Despite this, we demonstrate that rubisco catalysis is continuing to evolve toward improved CO 2 /O 2 specificity, carboxylase turnover, and carboxylation efficiency. Consistent with this kinetic adaptation, we reveal that increased rubisco evolution leads to a concomitant improvement in leaf-level CO 2 assimilation. Thus, rubisco is continually evolving toward improved catalytic efficiency and CO 2 assimilation in plants.

Abstract Determining the evolutionary relationships between genes is fundamental to comparative biological research. Here we present the phylogenetic search, SHOOT. SHOOT searches a user query sequence against a database of phylogenetic trees and returns a tree with the query sequence correctly placed within it. We show that SHOOT performs this analysis with comparable speed to a BLAST search. We demonstrate that SHOOT phylogenetic placements are as accurate as conventional tree inference and it can identify orthologs with high accuracy. In summary, SHOOT is a fast and accurate tool for phylogenetic analyses of novel query sequences. It is available online at www.shoot.bio .

Abstract Euglena gracilis is a well-studied biotechnologically exploitable phototrophic flagellate harbouring secondary green plastids. Here we describe its plastid proteome obtained by high-resolution proteomics. We identified 1,345 candidate plastid proteins and assigned functional annotations to 774 of them. More than 120 proteins are affiliated neither to the host lineage nor the plastid ancestor and may represent horizontal acquisitions from various algal and prokaryotic groups. Reconstruction of plastid metabolism confirms both the presence of previously studied/predicted enzymes/pathways and also provides direct evidence for unusual features of its metabolism including uncoupling of carotenoid and phytol metabolism, a limited role in amino acid metabolism and the presence of two sets of the SUF pathway for FeS cluster assembly. Most significantly, one of these was acquired by lateral gene transfer (LGT) from the chlamydiae. Plastidial paralogs of membrane trafficking-associated proteins likely mediating a poorly understood fusion of transport vesicles with the outermost plastid membrane were identified, as well as derlin-related proteins that potentially act as protein translocases of the middle membrane, supporting an extremely simplified TIC complex. The proposed innovations may be also linked to specific features of the transit peptide-like regions described here. Hence the Euglena plastid is demonstrated to be a product of several genomes and to combine novel and conserved metabolism and transport processes.