Structural variants (SVs) underlie important crop improvement and domestication traits. However, resolving the extent, diversity, and quantitative impact of SVs has been challenging. We used long-read nanopore sequencing to capture 238,490 SVs in 100 diverse tomato lines. This panSV genome, along with 14 new reference assemblies, revealed large-scale intermixing of diverse genotypes, as well as thousands of SVs intersecting genes and cis-regulatory regions. Hundreds of SV-gene pairs exhibit subtle and significant expression changes, which could broadly influence quantitative trait variation. By combining quantitative genetics with genome editing, we show how multiple SVs that changed gene dosage and expression levels modified fruit flavor, size, and production. In the last example, higher order epistasis among four SVs affecting three related transcription factors allowed introduction of an important harvesting trait in modern tomato. Our findings highlight the underexplored role of SVs in genotype-to-phenotype relationships and their widespread importance and utility in crop improvement.

We present RaGOO, a reference-guided contig ordering and orienting tool that leverages the speed and sensitivity of Minimap2 to accurately achieve chromosome-scale assemblies in minutes. After the pseudomolecules are constructed, RaGOO identifies structural variants, including those spanning sequencing gaps. We show that RaGOO accurately orders and orients 3 de novo tomato genome assemblies, including the widely used M82 reference cultivar. We then demonstrate the scalability and utility of RaGOO with a pan-genome analysis of 103 Arabidopsis thaliana accessions by examining the structural variants detected in the newly assembled pseudomolecules. RaGOO is available open source at https://github.com/malonge/RaGOO .

Abstract Advancing crop genomics requires efficient genetic systems enabled by high-quality personalized genome assemblies. Here, we introduce RagTag, a toolset for automating assembly scaffolding and patching, and we establish chromosome-scale reference genomes for the widely used tomato genotype M82 along with Sweet-100, a new rapid-cycling genotype that we developed to accelerate functional genomics and genome editing in tomato. This work outlines strategies to rapidly expand genetic systems and genomic resources in other plant species.

Selection for inflorescence architecture with improved flower production and yield is common to many domesticated crops. However, tomato inflorescences resemble wild ancestors, and breeders avoided excessive branching because of low fertility. We found branched variants carry mutations in two related transcription factors that were selected independently. One founder mutation enlarged the leaf-like organs on fruits and was selected as fruit size increased during domestication. The other mutation eliminated the flower abscission zone, providing “jointless” fruit stems that reduced fruit dropping and facilitated mechanical harvesting. Stacking both beneficial traits caused undesirable branching and sterility due to epistasis, which breeders overcame with suppressors. However, this suppression restricted the opportunity for productivity gains from weak branching. Exploiting natural and engineered alleles for multiple family members, we achieved a continuum of inflorescence complexity that allowed breeding of higher-yielding hybrids. Characterizing and neutralizing similar cases of negative epistasis could improve productivity in many agricultural organisms.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiIwYjhjYWZhMjJiY2Q1NjRjMDU4NmM3Yjk1NzkxYzU5NCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc5MjMwODQwfQ.nSvcV41bviI9EzCZWSdkVokL1gol3kvN7FeIQye1W8TxTGGNq_sbPnSlW6mPXqxt5VZw7rZVBK0nsZRfAqffQLjj23qESbU30e-X_HeUzM5Qt1n2ApRL3Kw5Xn50QLwrDjm0b27LgzZ7YLL1DrpqbQbc1ANZ390oMY2rv7BeKgzr7mTy1_YxwWmYsf3moVFUFcxyiLWO1AdPd_M_yka_LCdJJxWczGREKwpQ2_QMjYnqwWz1kUV9ZwunJa_bogAvPTRJJXApgon83sjWDCoypznXQmLeFauzIihAu3ibrCymSHMvVyPljV0uS2npnBd-PwerpEr9PbnvO8PGf7Ov6g(mp4, (54.32 MB) Download video

Abstract Background As the number of new genome assemblies continues to grow, there is increasing demand for methods to coalesce contigs from draft assemblies into pseudomolecules. Most current methods use genetic maps, optical maps, chromatin conformation (Hi-C), or other long-range linking data, however these data are expensive and analysis methods often fail to accurately order and orient a high percentage of assembly contigs. Other approaches utilize alignments to a reference genome for ordering and orienting, however these tools rely on slow aligners and are not robust to repetitive contigs. Results We present RaGOO, an open-source reference-guided contig ordering and orienting tool that leverages the speed and sensitivity of Minimap2 to accurately achieve chromosome-scale assemblies in just minutes. With the pseudomolecules constructed, RaGOO identifies structural variants, including those spanning sequencing gaps that are not reported by alternative methods. We show that RaGOO accurately orders and orients contigs into nearly complete chromosomes based on de novo assemblies of Oxford Nanopore long-read sequencing from three wild and domesticated tomato genotypes, including the widely used M82 reference cultivar. We then demonstrate the scalability and utility of RaGOO with a pan-genome analysis of 103 Arabidopsis thaliana accessions by examining the structural variants detected in the newly assembled pseudomolecules. RaGOO is available open-source with an MIT license at https://github.com/malonge/RaGOO . Conclusions We demonstrate that with a highly contiguous assembly and a structurally accurate reference genome, reference-guided scaffolding with RaGOO outperforms error-prone reference-free methods and enable rapid pan-genome analysis.

Abstract An increasingly important scenario in population genetics is when a large cohort has been genotyped using a low-resolution approach (e.g. microarrays, exome capture, short-read WGS), from which a few individuals are selected for resequencing using a more comprehensive approach, especially long-read sequencing. The subset of individuals selected should ensure that the captured genetic diversity is fully representative and includes variants across all subpopulations. For example, human variation has historically been focused on individuals with European ancestry, but this represents a small fraction of the overall diversity. To address this goal, SVCollector ( https://github.com/fritzsedlazeck/SVCollector ) identifies the optimal subset of individuals for resequencing. SVCollector analyzes a population-level VCF file from a low resolution genotyping study. It then computes a ranked list of samples that maximizes the total number of variants present from a subset of a given size. To solve this optimization problem, SVCollector implements a fast greedy heuristic and an exact algorithm using integer linear programming. We apply SVCollector on simulated data, 2504 human genomes from the 1000 Genomes Project, and 3024 genomes from the 3K Rice Genomes Project and show the rankings it computes are more representative than widely used naive strategies. Notably, we show that when selecting an optimal subset of 100 samples in these two cohorts, SV-Collector identifies individuals from every subpopulation while naive methods yield an unbalanced selection. Finally, we show the number of variants present in cohorts of different sizes selected using this approach follows a power-law distribution that is naturally related to the population genetic concept of the allele frequency spectrum, allowing us to estimate the diversity present with increasing numbers of samples.

ABSTRACT Crop genomes accumulated deleterious mutations, a symptom known as the cost of domestication. Precision genome editing has been proposed to eliminate such potentially harmful mutations, however, experimental demonstration is lacking. Here, we identified a deleterious mutation in the tomato transcription factor SUPPRESSOR OF SP2 ( SSP2 ), which became prevalent in the domesticated germplasm and diminished DNA-binding to genome-wide targets. We found that SSP2 acts partially redundant with its paralog SSP to regulate shoot and inflorescence architecture. However, redundancy was compromised during tomato domestication and completely lost in the closely-related species Physalis grisea , in which a single ortholog regulates shoot branching. We applied base editing to directly repair the deleterious mutation in cultivated tomato and obtained plants with compact growth that provide an early fruit yield. Our work shows how deleterious variants sensitized modern genotypes for phenotypic tuning and illustrates how repairing deleterious mutations with genome editing allows for predictable crop improvement.

ABSTRACT The highly diverse Solanaceae family contains several widely studied model and crop species. Fully exploring, appreciating, and exploiting this diversity requires additional model systems. Particularly promising are orphan fruit crops in the genus Physalis, which occupy a key evolutionary position in the Solanaceae and capture understudied variation in traits such as inflorescence complexity, fruit ripening and metabolites, disease and insect resistance, self-compatibility, and most notable, the striking Inflated Calyx Syndrome (ICS), an evolutionary novelty found across angiosperms where sepals grow exceptionally large to encapsulate fruits in a protective husk. We recently developed transformation and genome editing in Physalis grisea (groundcherry). However, to systematically explore and unlock the potential of this and related Physalis as genetic systems, high-quality genome assemblies are needed. Here, we present chromosome-scale references for P. grisea and its close relative P. pruinosa and use these resources to study natural and engineered variation in floral traits. We first rapidly identified a natural structural variant in a bHLH gene that causes petal color variation. Further, and against expectations, we found that CRISPR-Cas9 targeted mutagenesis of 11 MADS-box genes, including purported essential regulators of ICS, had no effect on inflation. In a forward genetics screen, we identified huskless , which lacks ICS due to mutation of an AP2-like gene that causes sepals and petals to merge into a single whorl of mixed identity. These resources and findings elevate Physalis to a new Solanaceae model system, and establish a new paradigm for the search of factors driving ICS.