Abstract Centromeres attach chromosomes to spindle microtubules during cell division and, despite this conserved role, show paradoxically rapid evolution and are typified by complex repeats. We used ultra-long-read sequencing to generate the Col-CEN Arabidopsis thaliana genome assembly that resolves all five centromeres. The centromeres consist of megabase-scale tandemly repeated satellite arrays, which support high CENH3 occupancy and are densely DNA methylated, with satellite variants private to each chromosome. CENH3 preferentially occupies satellites with least divergence and greatest higher-order repetition. The centromeres are invaded by ATHILA retrotransposons, which disrupt genetic and epigenetic organization of the centromeres. Crossover recombination is suppressed within the centromeres, yet low levels of meiotic DSBs occur that are regulated by DNA methylation. We propose that Arabidopsis centromeres are evolving via cycles of satellite homogenization and retrotransposon-driven diversification. One-sentence summary Long read sequencing and assembly of the Arabidopsis centromeres reveals their genetic and epigenetic topography.

Abstract The ability to trace every cell in some model organisms has led to the fundamental understanding of development and cellular function. However, in plants the complexity of cell number, organ size and developmental times makes this a challenge even in the diminutive model plant Arabidopsis thaliana . Here we develop the Lesser Duckweed Lemna minuta as a model with a reduced body plan, small genome size and clonal growth pattern that enables simultaneous tracing of cells from the entire plant over the complete developmental cycle. We generated a chromosome-resolved genome for the 360 megabase genome and defined the growth trajectory of the entire plant with single nuclei RNA sequencing. The L. minuta gene complement represents a primarily non-redundant set with only the ancient tau whole genome duplication shared with all monocots, and paralog expansion as a result of tandem duplications related to phytoremediation. Thirteen distinct cell types representing meristem, the leaf-stem fusion called a frond, and root-like tissues were defined using gene orthology with single cell expression from model plants, gene ontology categories, and cell trajectory analysis. Dividing meristem cells give rise to two main branches of root-transition and mesophyll cells, which then give rise to terminally differentiated parenchyma, epidermal and root cells. Mesophyll tissues express high levels of elemental transport genes consistent with this tissue playing a role in L. minuta wastewater detoxification. The L. minuta genome and cell map provide a paradigm to decipher developmental genes and pathways for an entire plant. Sentence summary Genome and single nuclei transcriptome of the Lesser Duckweed Lemna minuta enables tracing of all developmental, transitional and terminal cells of an entire plant.

Telomeres play an important role in chromosome stability and their length is thought to be related to an organism's lifestyle and lifespan. Telomere length is variable across plant species and between cultivars of the same species, possibly conferring adaptive advantage. However, it is not known whether telomere length is related to lifestyle or life span across a diverse array of plant species due to the lack of information on telomere length in plants. Here we leverage genomes assembled with long read sequencing data to estimate telomere length by chromosome. We find that long read assemblies based on Oxford Nanopore Technologies (ONT) accurately predict telomere length in the two model plant species Arabidopsis thaliana and Oryza sativa matching lab-based length estimates. We then estimate telomere length across an array of plant species with different lifestyles and lifespans and find that in general gymnosperms have shorter telomeres compared to eudicots and monocots. Crop species frequently have longer telomeres than their wild relatives, and species that have been maintained clonally such as hemp have long telomeres possibly reflecting that this lifestyle requires long term chromosomal stability.

Abstract Cranberry ( Vaccinium macrocarpon ) is a member of the Heath family (Ericaceae) and is a temperate low-growing woody perennial native to North America that is both economically important and has significant health benefits. While some native varieties are still grown today, breeding programs over the past 50 years have made significant contributions to improving disease resistance, fruit quality and yield. An initial genome sequence of an inbred line of the wild selection ‘Ben Lear,’ which is parent to multiple breeding programs, provided insight into the gene repertoire as well as a platform for molecular breeding. Recent breeding efforts have focused on leveraging the circumboreal V. oxycoccos , which forms interspecific hybrids with V. macrocarpon , offering to bring in novel fruit chemistry and other desirable traits. Here we present an updated, chromosome-resolved V. macrocarpon reference genome, and compare it to a high-quality draft genome of V. oxycoccos . Leveraging the chromosome resolved cranberry reference genome, we confirmed that the Ericaceae has undergone two whole genome duplications that are shared with blueberry and rhododendron. Leveraging resequencing data for ‘Ben Lear’ inbred lines, as well as several wild and elite selections, we identified common regions that are targets of improvement. These same syntenic regions in V. oxycoccos , were identified and represent environmental response and plant architecture genes. These data provide insight into early genomic selection in the domestication of a native North American berry crop.

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.

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.

Single-cell genomics permits a new resolution in the examination of molecular and cellular dynamics, allowing global, parallel assessments of cell types and cellular behaviors through development and in response to environmental circumstances, such as interaction with water and the light-dark cycle of the Earth. Here, we leverage the smallest, and possibly most structurally reduced plant, the semi-aquatic Wolffia australiana to understand dynamics of cell expression in these contexts at the whole plant level. We examined single cell resolution RNA sequencing data, and found Wolffia cells divide into four principal clusters representing the above and below water-situated parenchyma and epidermis. While these tissues share transcriptomic similarity with model plants, they display distinct adaptations that Wolffia has made for the aquatic environment. Within this broad classification, discrete subspecializations are evident with select cells showing unique transcriptomic signatures associated with developmental maturation and specialized physiologies. Assessing this simplified biological system temporally at two key time-of-day (TOD) transitions, we identify additional TOD-responsive genes previously overlooked in whole plant transcriptomic approaches and demonstrate that the core circadian clock machinery and its downstream responses can vary in cell-specific manners, even in this simplified system. Distinctions between cell types and their responses to submergence and/or TOD are driven by expression changes of unexpectedly few genes, characterizing Wolffia as a highly streamlined organism with the majority of genes dedicated to fundamental cellular processes. Wolffia provides a unique opportunity to apply reductionist biology to elucidate signaling functions at the organismal level, for which this work provides a powerful resource.

Abstract Baobab, Adansonia digitata , is a long-lived tree endemic to Africa that holds great economic, ecological, and cultural value. However, our knowledge of its genomic features, evolutionary history, and diversity is limited, rendering it orphaned scientifically. We generated a haploid chromosome-level reference genome anchored into 42 chromosomes for A. digitata , as well as draft assemblies for a sibling tree, two trees from distinct locations in Africa, and a related species, A. za from Madagascar. Unlike any other plant to date, DNA transposable elements (TEs) make up 33% of the A. digitata genome compared to only 10% long terminal repeat retrotransposons (LTR-RTs), which are usually predominant in plant genomes. Baobab has undergone a whole genome duplication (WGD) shared with the Malvoideae ∼30 million years ago (MYA), as well as a confirmed autotetraplody event 3-4 million MYA that coincides with the most recent burst of TE insertions. Resequencing 25 A. digitata trees from Africa revealed three subpopulations that suggest gene flow through most of West Africa but separated from East Africa. Gene enrichment analysis for baobab-specific and high fixation index (Fst) suggested baobab may have retained multiple copies of circadian, light and growth genes to coordinate genome protection for longevity through the UV RESISTANCE LOCUS 8 ( UVR8 ) and synchronizing flower development with pollinators. This study lays the groundwork for the creation of breeding resources and the conservation of baobab biodiversity.

Cannabis sativa is a globally significant seed-oil, fiber, and drug-producing plant species. However, a century of prohibition has severely restricted legal breeding and germplasm resource development, leaving potential hemp-based nutritional and fiber applications unrealized. Existing cultivars are highly heterozygous and lack competitiveness in the overall fiber and grain markets, relegating hemp to less than 200,000 hectares globally1. The relaxation of drug laws in recent decades has generated widespread interest in expanding and reincorporating cannabis into agricultural systems, but progress has been impeded by the limited understanding of genomics and breeding potential. No studies to date have examined the genomic diversity and evolution of cannabis populations using haplotype-resolved, chromosome-scale assemblies from publicly available germplasm. Here we present a cannabis pangenome, constructed with 181 new and 12 previously released genomes from a total of 156 biological samples from both male (XY) and female (XX) plants, including 42 trio phased and 36 haplotype-resolved, chromosome-scale assemblies. We discovered widespread regions of the cannabis pangenome that are surprisingly diverse for a single species, with high levels of genetic and structural variation, and propose a novel population structure and hybridization history. Conversely, the cannabinoid synthase genes contain very low levels of diversity, despite being embedded within a variable region containing multiple pseudogenized paralogs and distinct transposable element arrangements. Additionally, we identified variants of acyl-lipid thioesterase (ALT) genes that are associated with fatty acid chain length variation and the production of the rare cannabinoids, tetrahydrocannabinol varin (THCV) and cannabidiol varin (CBDV). We conclude the Cannabis sativa gene pool has only been partially characterized, and that the existence of wild relatives in Asia remains likely, while its potential as a crop species remains largely unrealized.