Abstract The Lemnaceae (duckweeds) are the world’s smallest but fastest growing flowering plants, with a drastically reduced morphology and predominant clonal reproductive habit capable of continuous exponential growth. Here, we present assemblies of 10 Lemna chromosome sets by single molecule nanopore sequencing and chromosome conformation capture. Dynamics of genome evolution in the family are revealed by syntenic comparisons with Wolffia and Spirodela , and diversification of these genera was found to coincide with the “Azolla event”, in which blooms of aquatic macrophytes reduced atmospheric CO 2 from greenhouse levels found in the Eocene to those of the current ice age. Orthologous gene comparisons with other aquatic and terrestrial plants uncovered candidate genes for the unique metabolic and developmental features of the family, such as frequent hybrid polyploidy, lack of stomatal closure in high CO 2 , and accumulation of calcium oxalate, a promising candidate for carbon sequestration. Loss of a spermine-triggered gene network may account for drastic reduction in stature and preferentially adaxial stomata, a feature of floating aquatic plants. Strikingly, Lemnaceae genomes have selectively lost some of the genes required for RNA interference, including Argonaute genes required for post-zygotic reproductive isolation (the triploid block) and reduced gamete formation. Triploid hybrids arise commonly among Lemna , presumably by hybridization with unreduced gametes, and we have found mutations in highly-conserved ZMM crossover pathway genes that could support polyploid meiosis. Rapid but stable clonal propagation makes Lemna an ideal platform for continuous protein and starch micro-cropping, and for efficient sequestration of dissolved nutrients and atmospheric CO 2 . Facile regeneration of transgenic fronds from tissue culture, aided by reduced epigenetic silencing, makes Lemna a powerful biotechnological platform, as exemplified by recent engineering of high-oil Lemna that out-perform oil seed crops.

Summary Over 15 families of aquatic plants are known to use a strategy of developmental switching upon environmental stress to produce dormant propagules called turions. However, few molecular details for turion biology have been elucidated due to the difficulties in isolating high-quality nucleic acids from this tissue. We successfully developed a new protocol to isolate high-quality transcripts and carried out RNA-seq analysis of mature turions from the Greater Duckweed Spirodela polyrhiza . Comparison of turion transcriptome to that of fronds, the actively growing leaf-like tissue, were carried out. Bioinformatic analysis of high confidence, differentially expressed transcripts between frond and mature turion tissues revealed major pathways related to stress tolerance, starch and lipid metabolism, and dormancy that are mobilized to reprogram frond meristems for turion differentiation. We identified the key genes that are likely to drive starch and lipid accumulation during turion formation, as well as in pathways for starch and lipid utilization upon turion germination. Comparison of genome-wide cytosine methylation levels also revealed evidence for epigenetic changes in the formation of turion tissues. Similarities between turions and seeds provided evidence that key regulators for seed maturation and germination have been retooled for their function in turion biology.