Erratum to:Methylome Evolution in plants

Erratum After publication of this article [1] we noticed that the centromere of Chromosome 3 was missing from Fig. 4a, and that the Fig. 4e y-axis should read ‘CG meth. Div. W-Acc.’. The y-axis of the barplot in Fig. 5a should read ‘Number of cytosines’. The corrected Figs. 4 and 5 are shown below

Methylome evolution in plants

Despite major progress in dissecting the molecular pathways that control DNA methylation patterns in plants, little is known about the mechanisms that shape plant methylomes over evolutionary time. Drawing on recent intra- and interspecific epigenomic studies, we show that methylome evolution over long timescales is largely a byproduct of genomic changes. By contrast, methylome evolution over short timescales appears to be driven mainly by spontaneous epimutational events. We argue that novel methods based on analyses of the methylation site frequency spectrum (mSFS) of natural populations can provide deeper insights into the evolutionary forces that act at each timescale

Genome-wide association study identified novel candidate loci affecting wood formation in Norway spruce

Norway spruce is a boreal forest tree species of significant ecological and economic importance. Hence there is a strong imperative to dissect the genetics underlying important wood quality traits in the species. We performed a functional genome-wide association study (GWAS) of 17 wood traits in Norway spruce using 178 101 single nucleotide polymorphisms (SNPs) generated from exome genotyping of 517 mother trees. The wood traits were defined using functional modelling of wood properties across annual growth rings. We applied a Least Absolute Shrinkage and Selection Operator (LASSO-based) association mapping method using a functional multilocus mapping approach that utilizes latent traits, with a stability selection probability method as the hypothesis testing approach to determine a significant quantitative trait locus. The analysis provided 52 significant SNPs from 39 candidate genes, including genes previously implicated in wood formation and tree growth in spruce and other species. Our study represents a multilocus GWAS for complex wood traits in Norway spruce. The results advance our understanding of the genetics influencing wood traits and identifies candidate genes for future functional studies.Peer reviewe

Muster der Nukleotid-Variation und Gen-assoziierte SNP-Analyse in einem Eichenbestand (Quercus spp.) an Isocitrat-Dehydrogenase Gene

Genomische DNS ist der primäre Informationsträger des Erbgutes, und die Analyse von DNS-Sequenzen erlaubt die unmittelbare Beobachtung genetischer Information. Methoden der DNS-Sequenzierung und der Genotypisierung, im speziellen die Genotypisierung über Single Nucleotide Polymorphism (SNP), hat neue Ansätze auf dem Gebiet der Forstgenetik ermöglicht. Sowohl quantitative als auch populationsgenetische Methoden werden genutzt, um das Verständnis über das Zusammenspiel zwischen genotypischen und phänotypischen Merkmalen zu verbessern und um genomische Signaturen der natürlichen Selektion in Gehölzen und deren Populationen zu charakterisieren.Aufgrund ihrer Bedeutung und weiten geographischen Verbreitung werden natürliche Populationen von Eichen (Quercus spp.) oft als Model zur Studie der Adaption von Gehölzen an verschiedenste klimatische und edaphische Bedingungen genutzt. In der hier vorgelegten Arbeit wurden vier Eichenarten betrachtet: Quercus robur, Q. petraea, Q. pubescens and Q. frainetto. Diese Arten koexistieren in einem der artenreichesten Eichenwälder Europas, dem Eichen-Reservat Bejan, gelegen im westlichen Zentral-Rumänien. Die vier Arten sind genetisch eng miteinander verwandt, und können Hybride bilden. Taxonomisch werden sie der Sektion Quercus sensu stricto ( Weisseichen') zugeordnet. Bezüglich der geographischen Verbreitung liegt das Bejan Oak Reservat im Zentrum der beiden in Europa dominierenden Arten Q. robur und Q. petraea, wohingegen für die beiden zu den so genannten "thermophilen und xerophilen" zugehörigen Eichenarten Q. pubescens und Q. frainetto das Reservat am nordöstlichen Rand ihrer natürlichen Verbreitung liegt.In der vorliegenden Arbeit wurde die genomische Sequenz der NADP+ und der NAD+ abhängigen Isocitratdehydrogenase (IDH) untersucht. IDH Gene kodieren für zentrale metabolische Enzyme des Krebs-Zyklus. Grundlegende Forschung an diesen Enzymen deutet auf eine signifikante Rolle für adaptive Ereignisse in verschiedenen Organismen hin. Die Nukleotidsequenz und die genomische Lokalisierung eines NADP+ IDH Gens in Q. robur wurde mittels der bekannten Sequenz aus Populus trichocarpa entschlüsselt. Das entschlüsselte Gen umfasst 3481bp (Basenpaare) und beinhaltet 15 Exon- und 14 Intronbereiche. Des Weiteren wurde ein NAD+ IDH Gen per "genome walking" teilweise sequenziert. Das sequenzierte Genfragment hat eine Länge von 2080bp und umfasst das erste Exon und das erste Intron des Gens. Zur populationsgenetischen Analyse der vier Eichenarten wurden beide Gensequenzen per PCR aus genomischer DNS amplifiziert, kloniert und sequenziert, wobei je Art fünf individuelle Replikate analysiert wurden. Die Gensequenz der NADP+ abhängigen IDH wurde aus sieben sequenzierten PCR Amplifikaten assembliert.Die hohe Diversität in der DNS Sequenz der hier analysierten IDH Gene zwischen den untersuchten Eichenarten entsprach der hohen genetischen Diversität in vorangegangenen Studien, obwohl ein konservativ ausgwertet wurde; Single Sequence Repeat (SSR) Motive und unbestätigte Singleton' SNPs wurden ausgeschlossen, um Artefakte, also falsche' Variation, weitestgehend zu vermeiden. Im Gegensatz zur hohen genetischen intraspezifischen Diversität zeigten die hier untersuchten Eichenarten geringe interspezifische Variabilität mit Ausnahme des vierten Fragmentes (Locus 4) des NADP+ abhängigen IDH Gens, welches eine außerordentlich hohe Differenzierung aufwies.Das neutrale Modell der Koaleszenztheorie wurde anhand der Tajima D Statistik und mit der Berechnung des Verhältnisses zwischen synonymen und nicht-synonymen SNPs getestet. Der Tajima D Test war für den überwiegenden Teil der SNP Positionen in allen Arten negativ, was auf einen Überschuss seltener Varianten deutet. Über alle SNP Positionen innerhalb der untersuchen Arten betrachtet zeigte der Tajima D Test allerdings Unterschiede, was weniger auf demographische Effekte zurückzuführen sein dürfte als auf unterschiedlich starke Selektionsprozesse, die an verschiedenen Genabschnitten des gleichen Gens stattfanden. Das Verhältnis zwischen synonymen und nicht-synonymen SNPs war innerhalb des NADP+ abhängigen IDH Gens klein, was auf eine gerichtete Selektion hindeutet und für essentielle Enzyme typisch ist. Der Tajima D Test war positiv für drei der hier untersuchten Eichenarten, allerdings nicht signifikant abweichend von der Annahme der Neutralität.Für eine weitere Genotypisierung wurden 13 bestätigte SNP Positionen des NADP+ IDH Gens ausgewählt und bei 253 Individuen untersucht, deren Artzugehörigkeit in einer vorherigen Studie anhand von morphologischen und molekularen Merkmalen bestimmt wurde. SNP Positionen wurden so ausgewählt, dass das komplette Gen und innerhalb dessen sowohl die nicht kodierenden SNPs (SNP 9, SNP 10, SNP 11, SNP 12 uns SNP 13) als auch kodierende SNPs abgedeckt waren. Innerhalb der kodierenden Sequenz wurden sowohl nicht-synonyme SNPs (SNP 1, SNP 2, SNP 3 and SNP 4) als auch synonyme SNPs (SNP 5, SNP 6, SNP 7 and SNP 8) ausgewertet. In den Positionen SNP 3 und SNP 4 kam es aufgrund der jeweiligen Nukleotidsubstitution und dem daraus folgenden Aminosäurenaustausch zu einer Ladungsverschiebung.Die intraspezifische Diversität was wie auch bei Isozym-Genorten moderat in allen hier untersuchten Eichenarten, wobei nicht-synonyme SNPs eine geringere Diversität aufwiesen. Paarweise Fst Tests mit allen SNP Markern ergaben eine geringe aber signifikante Differenzierung zwischen allen Arten, außer bei den beiden Arten Q. petraea und Q. frainetto. Nicht-synonyme SNP Marker allein konnten Q. frainetto nicht signifikant von einer der anderen Arten differenzieren. Des Weiteren differenzierten kodierende SNP Marker alle Arten deutlich besser als nicht kodierende SNPs, was mit dem abweichend hohen Fst Wert für die Position SNP 6 zu erklären ist. Dieser SNP erwies sich sogar als statistisch signifikanter Ausreißer' bei der Betrachtung der Differenzierung zwischen den Arten relativ zur als erwarteter Heterozygotie' gemessener Variation bei Annahme des Neutralitätsmodells.Eine Analyse auf nicht-zufällige Assoziationen von Allelen ergab keine eindeutigen Gruppierungen der identifizierten SNP Positionen; Kopplungsungleichgewichte (Linkage Disequilibrium, LD) wurden sowohl zwischen nahe beieinanderliegenden als auch weiter voneinander entfernten SNP Positionen beobachtet. Die getrennte Analyse jeder Art ergab eine geringere Anzahl an Positionen innerhalb signifikanter LD für die Art Q. robur, was wahrscheinlich sowohl auf eine lange Geschichte dieser Art in der Region hinweist, als auch auf eine geringere Neigung zur Rekombination. Dies kann mit besonder großen Populationen bei Q. robur zusammenhängen. Auf der anderen Seite zeigten Q. frainetto and Q. pubescens eine höhere Anzahl von SNPs mit signifikantem LD auch bei Paaren mit größerer physischer Distanz auf. Dies könnte mit einem "Gründereffekt" am Rande ihrer geographischen Ausbreitung oder mit der genetischen Vermischung untereinander zusammenhängen. Eine Assoziationsanalyse aller SNPs mit blatt-morphologischen Daten (Sinus-Weite, Lamina-Länge, Grundform der Lamina, Blattstiellänge), die die untersuchten Eicharten differenzieren (Curtu et al. 2007b), ergaben sieben statistisch signifikante Zusammenhänge unter Verwendung eines linearen Modells. Drei der signifikanten Assoziationen wurden in nicht-synonymen SNPs identifiziert. Die Berechnung statistischer Assoziationen ist nicht automatisch gleichbedeutend mit biologischen oder sogar kausalen Assoziationen. Daher ist es ratsam, die in dieser Arbeit ausgewerteten SNP Assoziationen an weiteren genetisch nicht strukturierten und differenzierten Populationen zu bestätigen

Patterns of genetic diversity of Fagus sylvatica L. in Rodopi Mountains of N.E. Greece

<p>The taxonomic classification of European beech has been lately subject of long scientific discussions. Genetic variation at AFLPs, chloroplast microsatellites and variation in leaf morphology have been analysed in four populations of F. sylvatica in the greek Rodopi Mountains. The analysis of morphological traits reveals differences between the western and the eastern part of the Rodopi Mountains. Moreover, high levels of haplotype diversity were observed within populations, while in central and western Europe no variation at cpDNA markers was detected. Clinal variation patterns have occurred at both morphological and molecular markers, with the variation increasing from the west to the east. Differentiation among populations was found, as expected, stronger at maternaly inherited cpDNA. The results obtained in this study, can be explained either by considering the greek Rodopi an introgression zone between subspecies sylvatica and subspecies orientalis or by the existance of a main glacial refugial area. These scenarios are not mutually exclusive.</p> <p> </p> <p>Poster presented during the Systematics Conference 2008, Göttingen, Germany.</p

LTR Retrotransposons Show Low Levels of Unequal Recombination and High Rates of Intraelement Gene Conversion in Large Plant Genomes

The accumulat on and removal of transposable elements (TEs) is a major driver of genome size evolution in eukaryotes. In plants, long terminal repeat (LTR) retrotransposons (LTR-RTs) represent the majority of TEs and form most of the nuclear DNA in large genomes. Unequal recombination (UR) between LTRs leads to removal of intervening sequence and formation of solo-LTRs. UR is a major mechanism of LTR-RT removal in many angiosperms, but our understanding of LTR-RT-associated recombination within the large, LTR-RT-rich genomes of conifers is quite limited. We employ a novel read based methodology to estimate the relative rates of LTR-RT-associated UR within the genomes of four conifer and seven angiosperm species. We found the lowest rates of UR in the largest genomes studied, conifers and the angiosperm maize. Recombination may also resolve as gene conversion, which does not remove sequence, so we analyzed LTR-RT-associated gene conversion events (GCEs) in Norway spruce and six angiosperms. Opposite the trend for UR, we found the highest rates of GCEs in Norway spruce and maize. Unlike previous work in angiosperms, we found no evidence that rates of UR correlate with retroelement structural features in the conifers, suggesting that another process is suppressing UR in these species. Recent results from diverse eukaryotes indicate that heterochromatin affects the resolution of recombination, by favoring gene conversion over crossing-over, similar to our observation of opposed rates of UR and GCEs. Control of LTR-RT proliferation via formation of heterochromatin would be a likely step toward large genomes in eukaryotes carrying high LTR-RT content

Additional file 1: of Methylome evolution in plants

Plant species whose methylomes have been analyzed by whole-genome bisulfite sequencing (WGBS-seq) or by high-performance liquid chromatography (HPLC). (PDF 277 kb

Additional file 3: of Methylome evolution in plants

Filtering of the methylomes used for the calculation of the mSFS. (DOCX 17 kb