Polyploidy, a change whereby the entire chromosome set is multiplied, arises through mitotic or meiotic misdivisions and frequently involves unreduced gametes and interspecific hybridization. The success of newly formed angiosperm polyploids is partly attributable to their highly plastic genome structure, as manifested by tolerance to changing chromosome numbers (aneuploidy and polyploidy), genome size, (retro)transposable element mobility, insertions, deletions, and epigenome restructuring. The ability to withstand large-scale changes, frequently within one or a few generations, is associated with a restructuring of the transcriptome, metabolome, and proteome and can result in an altered phenotype and ecology. Thus, polyploid-induced changes can generate individuals that are able to exploit new niches or to outcompete progenitor species. This process has been a major driving force behind the divergence of the angiosperms and their biodiversity.

Journal Article Nuclear DNA Amounts in Angiosperms Get access Michael D. Bennett, Michael D. Bennett Search for other works by this author on: Oxford Academic PubMed Google Scholar Ilia J. Leitch Ilia J. Leitch Search for other works by this author on: Oxford Academic PubMed Google Scholar Annals of Botany, Volume 76, Issue 2, August 1995, Pages 113–176, https://doi.org/10.1006/anbo.1995.1085 Published: 01 August 1995

All else being equal, polyploids are expected to have larger C-values (amount of DNA in the unreplicated gametic nucleus) than their diploid progenitors, increasing in direct proportion with ploidy. This expectation is observed in some polyploid series, especially those newly formed, but there are examples suggesting that C-values in particular polyploids are less than expected. The availability of the Angiosperm DNA C-values database (http://www.rbgkew.org.uk/cval/homepage.html) has allowed this question to be addressed across a broad range of angiosperms and has revealed striking results deviating from expectation: (i) mean 1C DNA amount did not increase in direct proportion with ploidy, and (ii) mean DNA amount per basic genome (calculated by dividing the 2C value by ploidy) tended to decrease with increasing ploidy. These results suggest that loss of DNA following polyploid formation, or genome downsizing, may be a widespread phenomenon of considerable biological significance. Recent advances in our understanding of the molecular events that take place following polyploid formation together with new data on how DNA amounts can both increase and decrease provide some insights into how genome downsizing may take place. The nature of the evolutionary forces that may be driving DNA loss are also discussed.

Polyploidy has played a major role in higher plant evolution. Most flowering plants are polyploid, and many are distinct in combining the diploid nuclear genomes from two or more different ancestral species or genera (allopolyploids). Recently, molecular techniques have offered powerful new tools for studying the origin and evolution of polyploids. Genomic in situ hybridization allows unequivocal identification of allopolyploids and visualization of their ancestral genomes. Studies of restriction fragment length polymorphism have shown that maize — hitherto generally viewed as a diploid — is really a tetraploid, and that multiple origins are common, if not the rule, for polyploid plant species. It appears that after polyploid formation, considerable and sometimes very rapid changes in genome structure and gene expression have occurred.

• Across eukaryotes phenotypic correlations with genome size are thought to scale from genome size effects on cell size. However, for plants the genome/cell size link has only been thoroughly documented within ploidy series and small subsets of herbaceous species. • Here, the first large-scale comparative analysis is made of the relationship between genome size and cell size across 101 species of angiosperms of varying growth forms. Guard cell length and epidermal cell area were used as two metrics of cell size and, in addition, stomatal density was measured. • There was a significant positive relationship between genome size and both guard cell length and epidermal cell area and a negative relationship with stomatal density. Independent contrast analyses revealed that these traits are undergoing correlated evolution with genome size. However, the relationship was growth form dependent (nonsignificant results within trees/shrubs), although trees had the smallest genome/cell sizes and the highest stomatal density. • These results confirm the generality of the genome size/cell size relationship. The results also suggest that changes in genome size, with concomitant influences on stomatal size and density, may influence physiology, and perhaps play an important genetic role in determining the ecological and life-history strategy of a species.

Three independent databases of eukaryotic genome size information have been launched or re-released in updated form since 2005: the Plant DNA C-values Database (Author Webpage), the Animal Genome Size Database (Author Webpage) and the Fungal Genome Size Database (Author Webpage). In total, these databases provide freely accessible genome size data for >10 000 species of eukaryotes assembled from more than 50 years' worth of literature. Such data are of significant importance to the genomics and broader scientific community as fundamental features of genome structure, for genomics-based comparative biodiversity studies, and as direct estimators of the cost of complete sequencing programs.

The DNA amount in the unreplicated haploid nucleus of an organism is known as its C-value. C-values differ about 1000-fold among angiosperms and are characteristic of taxa. The data are used in many biological fields, so they should be easily available. Values for 2802 angiosperm species (1%) were estimated during 1950–1997, and five collected lists of C-values were published for reference purposes during 1976–1997. Numbers of new angiosperm C-values published recently remained high, necessitating a further supplementary list. This paper lists DNA C-values for 807 angiosperm species from 70 original sources, including 520 (75.2%) from sources published after 1996, and 691 for species not included in any of the previous five lists. There is a continuing need to estimate accurate DNA C-values for plant taxa, as shown in a workshop on this biodiversity topic sponsored by Annals of Botany and held at Kew in 1997. Its key aim was to identify major gaps in our knowledge of plant DNA amounts and to recommend targets and priorities for new work to fill them. A target of estimating first C-values for the next 1% of angiosperm species in 5 years was set. The proportion of such C-values in the present work (85.6%) is very high; and the number being published (approx. 220 per annum) has never been exceeded. In 1997, C-values were still unknown for most (68%) families, so a target of complete coverage was set. This paper includes first C-values for 12 families, but as less than 2% of such values listed here targeted new families, the need to improve familial representation remains. Copyright 2000 Annals of Botany Company

Sequencing of target-enriched libraries is an efficient and cost-effective method for obtaining DNA sequence data from hundreds of nuclear loci for phylogeny reconstruction. Much of the cost of developing targeted sequencing approaches is associated with the generation of preliminary data needed for the identification of orthologous loci for probe design. In plants, identifying orthologous loci has proven difficult due to a large number of whole-genome duplication events, especially in the angiosperms (flowering plants). We used multiple sequence alignments from over 600 angiosperms for 353 putatively single-copy protein-coding genes identified by the One Thousand Plant Transcriptomes Initiative to design a set of targeted sequencing probes for phylogenetic studies of any angiosperm group. To maximize the phylogenetic potential of the probes, while minimizing the cost of production, we introduce a k-medoids clustering approach to identify the minimum number of sequences necessary to represent each coding sequence in the final probe set. Using this method, 5–15 representative sequences were selected per orthologous locus, representing the sequence diversity of angiosperms more efficiently than if probes were designed using available sequenced genomes alone. To test our approximately 80,000 probes, we hybridized libraries from 42 species spanning all higher-order groups of angiosperms, with a focus on taxa not present in the sequence alignments used to design the probes. Out of a possible 353 coding sequences, we recovered an average of 283 per species and at least 100 in all species. Differences among taxa in sequence recovery could not be explained by relatedness to the representative taxa selected for probe design, suggesting that there is no phylogenetic bias in the probe set. Our probe set, which targeted 260 kbp of coding sequence, achieved a median recovery of 137 kbp per taxon in coding regions, a maximum recovery of 250 kbp, and an additional median of 212 kbp per taxon in flanking non-coding regions across all species. These results suggest that the Angiosperms353 probe set described here is effective for any group of flowering plants and would be useful for phylogenetic studies from the species level to higher-order groups, including the entire angiosperm clade itself.

Recent genome sequencing papers have given genome sizes of 180 Mb for Drosophila melanogaster Iso-1 and 125 Mb for Arabidopsis thaliana Columbia. The former agrees with early cytochemical estimates, but numerous cytometric estimates of around 170 Mb imply that a genome size of 125 Mb for arabidopsis is an underestimate. In this study, nuclei of species pairs were compared directly using flow cytometry. Co-run Columbia and Iso-1 female gave a 2C peak for arabidopsis only approx. 15 % below that for drosophila, and 16C endopolyploid Columbia nuclei had approx. 15 % more DNA than 2C chicken nuclei (with >2280 Mb). Caenorhabditis elegans Bristol N2 (genome size approx. 100 Mb) co-run with Columbia or Iso-1 gave a 2C peak for drosophila approx. 75 % above that for 2C C. elegans, and a 2C peak for arabidopsis approx. 57 % above that for C. elegans. This confirms that 1C in drosophila is approx. 175 Mb and, combined with other evidence, leads us to conclude that the genome size of arabidopsis is not approx. 125 Mb, but probably approx. 157 Mb. It is likely that the discrepancy represents extra repeated sequences in unsequenced gaps in heterochromatic regions. Complete sequencing of the arabidopsis genome until no gaps remain at telomeres, nucleolar organizing regions or centromeres is still needed to provide the first precise angiosperm C-value as a benchmark calibration standard for plant genomes, and to ensure that no genes have been missed in arabidopsis, especially in centromeric regions, which are clearly larger than once imagined.

We report the largest eukaryotic genome to date in the monocot Paris japonica (Melanthiaceae, 1C = 152.23 pg), measured using flow cytometry. This value is 15% larger than any previous estimate and extends the range of genome sizes to c. 2400-fold across angiosperms and c. 66 000-fold across eukaryotes. © 2010 The Linnean Society of London, Botanical Journal of the Linnean Society, 2010, 164, 10–15.