A high-quality reference for the sunflower genome (Helianthus annuus L.) and analysis of gene networks involved in flowering time and oil metabolism provide a basis for nutritional exploitation and analyses of adaptation to climate change. Nicolas Langlade and colleagues report the genome sequence of the domesticated sunflower, Helianthus annuus L., a global oil crop that can maintain stable yields across a wide range of environmental conditions. Their comparative analyses provide insights into the evolutionary history of Asterids. They also analysed transcriptomic data from vegetative and floral organs, re-sequenced 80 domesticated lines and performed genome-wide association studies identifying 35 loci associated with flowering time. These resources will be useful in breeding programs as well as ecological and evolutionary studies. The domesticated sunflower, Helianthus annuus L., is a global oil crop that has promise for climate change adaptation, because it can maintain stable yields across a wide variety of environmental conditions, including drought1. Even greater resilience is achievable through the mining of resistance alleles from compatible wild sunflower relatives2,3, including numerous extremophile species4. Here we report a high-quality reference for the sunflower genome (3.6 gigabases), together with extensive transcriptomic data from vegetative and floral organs. The genome mostly consists of highly similar, related sequences5 and required single-molecule real-time sequencing technologies for successful assembly. Genome analyses enabled the reconstruction of the evolutionary history of the Asterids, further establishing the existence of a whole-genome triplication at the base of the Asterids II clade6 and a sunflower-specific whole-genome duplication around 29 million years ago7. An integrative approach combining quantitative genetics, expression and diversity data permitted development of comprehensive gene networks for two major breeding traits, flowering time and oil metabolism, and revealed new candidate genes in these networks. We found that the genomic architecture of flowering time has been shaped by the most recent whole-genome duplication, which suggests that ancient paralogues can remain in the same regulatory networks for dozens of millions of years. This genome represents a cornerstone for future research programs aiming to exploit genetic diversity to improve biotic and abiotic stress resistance and oil production, while also considering agricultural constraints and human nutritional needs8,9.

Species often include multiple ecotypes that are adapted to different environments1. However, it is unclear how ecotypes arise and how their distinctive combinations of adaptive alleles are maintained despite hybridization with non-adapted populations2–4. Here, by resequencing 1,506 wild sunflowers from 3 species (Helianthus annuus, Helianthus petiolaris and Helianthus argophyllus), we identify 37 large (1–100 Mbp in size), non-recombining haplotype blocks that are associated with numerous ecologically relevant traits, as well as soil and climate characteristics. Limited recombination in these haplotype blocks keeps adaptive alleles together, and these regions differentiate sunflower ecotypes. For example, haplotype blocks control a 77-day difference in flowering between ecotypes of the silverleaf sunflower H. argophyllus (probably through deletion of a homologue of FLOWERING LOCUS T (FT)), and are associated with seed size, flowering time and soil fertility in dune-adapted sunflowers. These haplotypes are highly divergent, frequently associated with structural variants and often appear to represent introgressions from other—possibly now-extinct—congeners. These results highlight a pervasive role of structural variation in ecotypic adaptation. Resequencing analyses of three species of wild sunflower identify large non-recombining haplotype blocks that correlate with ecologically relevant traits, soil and climate characteristics, and that differentiate species ecotypes.

Abstract Anthropogenic climate change is an urgent threat to species diversity. One aspect of this threat is the collapse of species reproductive barriers through increased hybridization. The primary mechanism for this collapse is thought to be the weakening of ecologically-mediated reproductive barriers, as demonstrated in many cases of “reverse speciation” . Here, we expand on this idea and show that adaptive introgression between species adapting to a shared, moving climatic optimum can readily weaken any reproductive barrier, including those that are completely independent of the climatic variable. Using genetically explicit forward-time simulations, we show that genetic linkage between alleles conferring adaptation to a changing climate and alleles conferring reproductive isolation can lead to adaptive introgression facilitating the homogenization of reproductive isolation alleles. This effect causes the decay of species boundaries across a broad and biologically-realistic parameter space. We explore how the magnitude of this effect depends upon the rate of climate change, the genetic architecture of adaptation, the initial degree of reproductive isolation and the mutation rate. These results highlight a previously unexplored effect of rapid climate change on species diversity.

Abstract While invasive species are a key driver of the global biodiversity crisis, the drivers of invasiveness remain debated. To investigate the genomic basis of invasiveness in plants, we use the invasive weed Ambrosia artemisiifolia , introduced to Europe in the late 19 th century, resequencing 655 ragweed genomes, including 308 herbarium specimens collected up to 190 years ago. In introduced European populations, we report selection signatures in defense genes and lower prevalence of particular plant pathogens in the invasive range. Together with temporal changes in population structure associated with introgression from closely related Ambrosia species, escape from microbial enemies likely favoured the plant’s remarkable success as an invasive species. One-Sentence Summary The invasive success of European ragweed was facilitated by release from enemy microbes and inter-species hybridization.

Abstract Crop wild relatives represent valuable sources of alleles for crop improvement, including adaptation to climate change and emerging diseases. However, introgressions from wild relatives might have deleterious effects on desirable traits, including yield, due to linkage drag. Here we comprehensively analyzed the genomic and phenotypic impacts of wild introgressions into cultivated sunflower to estimate the impacts of linkage drag. First, we generated new reference sequences for seven cultivated and one wild sunflower genotype, as well as improved assemblies for two additional cultivars. Next, relying on previously generated sequences from wild donor species, we identified introgressions in the cultivated reference sequences, as well as the sequence and structural variants they contain. We then used a ridge regression model to test the effects of the introgressions on phenotypic traits in the cultivated sunflower association mapping population. We found that introgression has introduced substantial sequence and structural variation into the cultivated sunflower gene pool, including > 3,000 new genes. While introgressions reduced genetic load at protein-coding sequences and positively affected traits associated with abiotic stress resistance, they mostly had negative impacts on yield and quality traits. Introgressions found at high frequency in the cultivated gene pool had larger effects than low frequency introgressions, suggesting that the former likely were targeted by artificial selection. Also, introgressions from more distantly related species were more likely to be maladaptive than those from the wild progenitor of cultivated sunflower. Thus, pre-breeding efforts should focus, as far as possible, on closely related and fully compatible wild relatives.

ABSTRACT Recombination is critical both for accelerating adaptation and for the purging of deleterious mutations. Chromosomal inversions can act as recombination modifiers that suppress local recombination and, thus, are predicted to accumulate such mutations. In this study, we investigated patterns of recombination, transposable element abundance and coding sequence evolution across the genomes of 1,445 individuals from three sunflower species, as well as within nine inversions segregating within species. We also analyzed the effects of inversion genotypes on 87 phenotypic traits to test for overdominance. We found significant negative correlations of long terminal repeat retrotransposon abundance and deleterious mutations with recombination rates across the genome in all three species. However, we failed to detect an increase in these features in the inversions, except for a modest increase in the proportion of stop codon mutations in several very large or rare inversions. Moreover, there was little evidence of phenotypic overdominance in inversion heterozygotes, consistent with observations of minimal deleterious load. On the other hand, significantly greater load was observed for inversions in populations polymorphic for a given inversion compared to populations monomorphic for one of the arrangements, suggesting that the local state of inversion polymorphism affects deleterious load. These seemingly contradictory results can be explained by the geographic structuring and consequent excess homozygosity of inversions in wild sunflowers. Inversions contributing to local adaptation often exhibit geographic structure; such inversions represent ideal recombination modifiers, acting to facilitate adaptive divergence with gene flow, while largely averting the accumulation of deleterious mutations due to recombination suppression.

Abstract Variation in floral displays, both between and within species, has been long known to be shaped by the mutualistic interactions that plants establish with their pollinators. However, increasing evidence suggests that abiotic selection pressures influence floral diversity as well. Here we analyze the genetic and environmental factors that underlie patterns of floral pigmentation in wild sunflowers. While sunflower inflorescences appear invariably yellow to the human eye, they display extreme diversity for patterns of ultraviolet pigmentation, which are visible to most pollinators. We show that this diversity is largely controlled by cis-regulatory variation at a single MYB transcription factor, HaMYB111, through accumulation of UV-absorbing flavonol glycosides. As expected, different patterns of ultraviolet pigments in flowers have a strong effect on pollinator preferences. However, variation for floral ultraviolet patterns is also associated with environmental variables, especially relative humidity, across populations of wild sunflowers. Larger ultraviolet patterns, which are found in drier environments, limit transpiration, therefore reducing water loss. The dual role of floral UV patterns in pollination attraction and abiotic responses reveals the complex adaptive balance underlying the evolution of floral traits.

Abstract Visual sensitivity and body pigmentation are often shaped by both natural selection from the environment and sexual selection from mate choice. One way of quantifying the impact of the environment is by measuring how traits have changed after colonization of a novel habitat. To do this, we studied Poecilia mexicana populations that have repeatedly adapted to extreme sulphidic (H 2 S containing) environments. We measured visual sensitivity using opsin gene expression, as well as body pigmentation and water transmission for populations in four independent drainages. Both visual sensitivity and body pigmentation showed significant parallel shifts towards greater medium wavelength sensitivity and reflectance in sulphidic populations. The light spectrum was only subtly different between environments and overall, we found no significant correlations between the light environment and visual sensitivity or body pigmentation. Altogether we found that sulphidic habitats select for differences in visual sensitivity and pigmentation; our data suggest that this effect is unlikely to be driven purely by the water’s spectral properties and may instead be from other correlated ecological changes.

A bstract Chromosomal inversions are theorized to play an important role in adaptation by preventing recombination, but testing this hypothesis requires an understanding of the rate of inversion fixation. Here we use chromosome-level whole genome assemblies for 32 genera of plants to ask how fast inversions accumulate and what factors affect this rate. We find that on average species accumulate 4 to 28 inversions per million generations, but this rate is highly variable, and we find no correlation between sequence divergence or repeat content and the number of inversions and only a small correlation with chromosome size. We also find that inversion regions are depleted for genes and enriched for TEs compared to the genomic background. This suggests that idiosyncratic forces, like natural selection and demography, are controlling how fast inversions fix.

Abstract Sunflowers of the genus Helianthus are models for hybridization research and contain three of the best studied examples of homoploid hybrid speciation. To understand the broader picture of hybridization within the annual sunflowers, we used whole genome resequencing to conduct a phylogenomic analysis and test for gene flow between lineages. We find that all annual sunflower species tested have evidence of admixture, suggesting hybridization was common during the radiation of the genus. Support for the major species tree decreases with recombination rate, consistent with hybridization and introgression contributing to discordant topologies. Admixture graphs found hybridization to be associated with the origins of the three putative hybrid species ( H. anomalus, H. deserticola , and H. paradoxus ). However, the hybridization events are more ancient than suggested by previous work. Furthermore, H. anomalus and H. deserticola appear to have arisen from a single hybridization event involving an unexpected donor, rather than through multiple independent events as previously proposed. Using a broader data set that covers the whole Helianthus genus, including perennial species, we find that signals of introgression span the genus and beyond, suggesting highly divergent introgression and/or the sorting of ancient haplotypes. Thus, Helianthus can be viewed as a syngameon in which largely reproductively isolated species are linked together by occasional or frequent gene flow.