Summary While the importance of root nodular symbioses (RNS) in plants has long been recognized, the ecological and evolutionary factors maintaining RNS remain obscure. RNS is associated with environmental stressors such as aridity and nitrogen-poor soils; the ability to tolerate harsh environments may provide ecological opportunities for diversification, yet, nodulators are also diverse outside these environments. We test several environmental determinants of increased survival and enhanced diversification of RNS species, using an explicitly phylogenetic approach for the first time. We assembled the largest phylogeny of the nitrogen-fixing clade to date and a comprehensive set of abiotic niche estimates and nodulation data. We used comparative phylogenetic tools to test environmental and diversification associations. We found that RNS is associated with warm, arid, and nitrogen-poor habitats. However, RNS was gained long before lineages entered these habitats. RNS is associated with accelerated diversification, but diversification rates are heterogeneous among nodulators, and non-legume nodulators do not show elevated diversification. Our findings undermine the interpretation that RNS directly drove the invasion of challenging habitats, and do not support a direct relationship between soil or climate and the diversity of nodulators. Still, RNS may have been an important exaptation allowing further niche evolution.

Abstract Astragalus (Fabaceae), with more than 3,000 species, represents a successful radiation of morphologically highly similar species found across the Northern Hemisphere. It has attracted attention from systematists and biogeographers, who have asked what factors might be behind the extraordinary diversity of this important arid-adapted clade and what sets it apart from close relatives with far less species richness. Here, for the first time using extensive taxonomic sampling in a phylogenetic analysis, we ask whether (1) Astragalus is uniquely characterized by bursts of radiation or is instead similar to related taxa. Then we test whether the species diversity of Astragalus is attributable specifically to its predilection for (2) cold and arid habitats or (3) particular soils. Finally, we test (4) whether Astragalus originated in central Asia as proposed and (5) whether niche evolutionary shifts were associated with the colonization of other continents. Our results point to the importance of heterogeneity in the diversification of Astragalus , with upshifts associated with the earliest divergences but attributable to no abiotic factor or biogeographic regionalization tested here. The only potential correlate with diversification we identified was chromosome number. We find strong evidence for a central Asian origin and direct dispersals from this region responsible for much of the present-day distribution, highlighting the importance of central Asia as a biogeographic gateway. In contrast to diversification shifts, biogeographic shifts have a strong association with the abiotic environment. Our most important result was a fundamental divide in soil types and diurnal temperature variation between the Eastern and Western Hemisphere species; this divergence does not reflect differences in available habitat among these biogeographic domains but may reflect unique local gains of edaphic and abiotic stress adaptations. While large clades are logistically difficult to tackle, our investigation shows the importance of phylogenetic and evolutionary studies of “mega-radiations.” Our findings reject any simple key innovation behind the dominance and richness of Astragalus and underline the often nuanced, multifactorial processes leading to species-rich clades.

Abstract Applications of molecular phylogenetic approaches have uncovered evidence of hybridization across numerous clades of life, yet the environmental factors responsible for driving opportunities for hybridization remain obscure. Verbal models implicating geographic range shifts that brought species together during the Pleistocene have often been invoked, but quantitative tests using paleoclimatic data are needed to validate these models. Here, we produce a phylogeny for Heuchereae, a clade of 15 genera and 83 species in Saxifragaceae, with complete sampling of recognized species, using 277 nuclear loci and nearly complete chloroplast genomes. We then employ an improved framework with a coalescent simulation approach to test and ultimately confirm previous hybridization hypotheses and identify one new intergeneric hybridization event. Focusing on the North American distribution of Heuchereae, we introduce and implement a newly developed approach to reconstruct potential past distributions for ancestral lineages across all species in the clade and across a paleoclimatic record extending from the late Pliocene. Time calibration based on both nuclear and chloroplast trees recovers a mid- to late-Pleistocene date for most inferred hybridization events, a timeframe concomitant with repeated geographic range restriction into overlapping refugia. Our results indicate an important role for past episodes of climate change, and the contrasting responses of species with differing ecological strategies, in generating novel patterns of range contact among plant communities and therefore new opportunities for hybridization.

Abstract Broad-scale quantitative assessments of biodiversity and the factors shaping it remain particularly poorly explored in insects. Here, we undertook a spatial phylogenetic analysis of North American butterflies via assembly of a time-calibrated phylogeny of the region coupled with a unique, complete range assessment for ~75% of the known species. We utilized a suite of phylodiversity metrics and associated environmental data to test whether climate stability and temperature gradients have shaped North American butterfly phylogenetic diversity and endemism. We also undertook the first direct, quantitative comparisons of spatial phylogenetic patterns between butterflies and flowering plants in North America. We expected concordance between butterflies and angiosperms based on both shared historical environmental drivers and presumed strong butterfly-host plant specializations. We instead found that biodiversity patterns in butterflies are strikingly different from flowering plants in some regions of the continent. In particular, the warm desert regions of the southwestern United States and Mexico showed surprisingly high butterfly phylogenetic diversity and endemism, in contrast to much lower values for angiosperms. Butterflies did not show patterns of phylogenetic clustering as found in flowering plants, suggesting differences in habitat conservation between the two groups. Finally, we found weak relationships and spatially structured biases in relative branching timing between angiosperms and butterflies. These results suggest that shared biogeographic histories and trophic associations do not necessarily assure similar diversity outcomes. The work has applied value in conservation planning, documenting warm deserts as an important North American butterfly biodiversity hotspot.

Abstract Theaceae, with three tribes and nine genera, is a family of great economic and ecological importance. Recent phylogenetic analyses based on plastid genome resolved the relationship among three tribes and the intergeneric relationships within Gordonieae and Stewartieae. However, generic level relationships within the largest tribe Theeae were not fully resolved and potential hybridization among genera within Theeae revealed previously also remains to be tested further. Here we conducted a comprehensive phylogenomic study of Theaceae based on transcriptomes and low-depth whole-genome sequencing of 57 species as well as additional plastome sequence data from previous work. Phylogenetic analyses suggested that Stewartieae was the first-diverging clade in Theaceae, consistent with previous study using plastomic data. Within Theeae, the highly supported Apterosperma-Laplacea clade grouped with Pyrenaria with maximum support based on the partitioned and unpartitioned concatenation analyses using the 610 low-copy nuclear genes, leaving Camellia and Polyspora as another sister genera in the tribe. PhyloNet analyses suggested one reticulation event within Camellia and Pyrenaria respectively, but no intergeneric reticulations were detected in Theeae. Another introgression was found between Gordonia lasianthus and the common ancestor of Gordonieae during the Late Oligocene. The existing land bridges (e.g. Bering land bridge) might have facilitated this ancient introgression. Further researches need to be conducted to uncover the interspecific introgression pattern within Camellia. Ks distribution analyses supported the tea family shared one whole-genome duplication (WGD) event Ad-β, which was recently mapped to the clade containing core Ericales, Primuloids, Polemonioids and Lecythidaceae.

Aim Quantifying the phylogenetic diversity of temperate trees is essential for understanding what processes are implicated in shaping the modern distribution of temperate broadleaf forest and other major forest biomes. Here we focus on Fagales, an iconic member of forests worldwide, to uncover global diversity and endemism patterns and investigate potential drivers responsible for the spatial distribution of fagalean forest communities. Location Global. Taxon Fagales. Methods We combined phylogenetic data covering 60.2% of living species, fine-scale distribution models covering 90% of species, and nodulation data covering all species to investigate the distribution of species richness at fine spatial scales and compare this to relative phylogenetic diversity (RPD) and phylogenetic endemism. Further, we quantify phylogenetic betadiversity and bioregionalization of Fagales and determine hotspots of Fagales species engaging in root nodule symbiosis (RNS) with nitrogen-fixing actinomycetes. Results We find the highest richness in temperate east Asia, eastern North America, and equatorial montane regions of Asia and Central America. By contrast, RPD is highest at higher latitudes, where RNS also predominates. We found a strong spatial structuring of regionalizations of Fagales floras as defined by phylogeny and traits related to RNS, reflecting distinct Northern and Southern Hemisphere floras (with the exception of a unique Afro-Boreal region) and highly distinct tropical montane communities. Main conclusions Species richness and phylogenetic regionalization accord well with traditional biogeographic concepts for temperate forests, but RPD does not. This may reflect ecological filtering specific to Fagales, as RNS strategies are almost universal in the highest RPD regions. Our results highlight the importance of global-scale, clade-specific spatial phylogenetics and its utility for understanding the history behind temperate forest diversity.

ABSTRACT Premise Traditional methods of ploidal level estimation are tedious; leveraging sequence data for cytotype estimation is an ideal alternative. Multiple statistical approaches to leverage DNA sequence data for ploidy prediction based on site-based heterozygosity have been developed. However, these approaches may require high-coverage sequence data, use improper probability distributions, or have additional statistical shortcomings that limit inference abilities. We introduce nQuack, an open-source R package, that addresses the main shortcomings of current methods. Methods and Results nQuack performs model selection for improved ploidy predictions. Here, we implement expected maximization algorithms with normal, beta, and beta-binomial distributions. Using extensive computer simulations that account for variability in sequencing depth, as well as real data sets, we demonstrate the utility and limitations of nQuack. Conclusion Inferring ploidal level based on site-based heterozygosity alone is discouraged due to the low accuracy of pattern-based inference.

The clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/CRISPR-related nuclease (Cas) system allows precise and easy editing of genes in many plant species. However, this system has not yet been applied to any fern species due to the complex characteristics of fern genomes, genetics and physiology. Here, we established, for the first time, a protocol for gametophyte-based screening single-guide RNAs (sgRNAs) with high efficiency for CRISPR/Cas-mediated gene editing in a model fern species, Ceratopteris richardii. We utilized the C. richardii Actin promoter to drive sgRNA expression and enhanced CaMV 35S promoter to drive the expression of Streptococcus pyogenes Cas9 in this CRISPR-mediated editing system, which was employed to successfully edit a few genes (e.g., nucleotidase/phosphatase 1, CrSAL1; Cryptochrome 4, CRY4) and CrPDS, encoding a phytoene desaturase protein that resulted in an albino phenotype in C. richardii. Knockout of CrSAL1 resulted in significantly reduced stomatal conductance (gs), leaf transpiration rate (E), stomatal/pore length, and abscisic acid (ABA)-induced reactive oxygen species (ROS) accumulation in guard cells. Moreover, CrSAL1 overexpressing plants showed significantly increased net photosynthetic rate (A), gs, E and intrinsic water use efficiency (iWUE) as well as most of the stomatal traits and ROS production in guard cells compared to those in the wild-type (WT) plants. Taken together, the optimized CRISPR/Cas9 system provides a useful tool for functional genomics in a model fern species, allowing the exploration of fern gene functions for evolutionary biology, herbal medicine discovery and agricultural applications.

Southwest China is characterized by high plateaus, large mountain systems, and deeply incised dry valleys formed by major rivers and their tributaries. Despite the considerable attention given to alpine plant radiations in this region, the timing and mode of the diversification of the numerous plant lineages in the dry valley habitat remains unknown. To address this knowledge gap, we investigate the macroevolution of Isodon (Lamiaceae), a lineage commonly distributed in the dry valleys in southwest China and wetter areas of Asia and Africa. We reconstructed a robust phylogeny encompassing nearly 90% of the approximately 140 extant Isodon species using transcriptome and genome-resequencing data. Our results suggest a rapid radiation of Isodon during the Pliocene that coincided with a habit shift from herbs to shrubs and a habitat shift from humid areas to dry valleys. The shrubby growth form likely acted as a preadaptation allowing for the movement of Isodon species into these valleys. Ecological analysis highlighted aridity and precipitation as key factors influencing the niche preferences of different growth forms and species richness of Isodon. Integrating our results with insights from tectonic movements in the Tibetan Plateau and adjacent regions, we infer that the interplay between topography and the evolution of the East Asian monsoon since the middle Miocene likely contributed to the formation of the dry valley biome in southwest China. This study enhances our understanding of evolutionary dynamics and ecological drivers shaping the distinctive flora of this region.

Sex chromosomes have evolved hundreds of times, and their recent origins in flowering plants can shed light on the early consequences of suppressed recombination. Amborella trichopoda, the sole species on a lineage that is sister to all other extant flowering plants, is dioecious with a young ZW sex determination system. Here we present a haplotype-resolved genome assembly, including highly-contiguous assemblies of the Z and W chromosomes. We identify a ~3-Megabase sex-determination region (SDR) captured in two strata that includes a ~300-Kilobase inversion that is enriched with repetitive sequence and contains a homolog of the Arabidopsis METHYLTHIOADENOSINE NUCLEOSIDASE (MTN1-2) genes, which are known to be involved in fertility. However, the remainder of the SDR does not show patterns typically found in non-recombining SDRs, like repeat accumulation and gene loss. These findings are consistent with the hypothesis that dioecy is recently derived in Amborella and the sex chromosome pair has not significantly degenerated.