The genomic origins of rape oilseed Many domesticated plants arose through the meeting of multiple genomes through hybridization and genome doubling, known as polyploidy. Chalhoub et al. sequenced the polyploid genome of Brassica napus , which originated from a recent combination of two distinct genomes approximately 7500 years ago and gave rise to the crops of rape oilseed (canola), kale, and rutabaga. B. napus has undergone multiple events affecting differently sized genetic regions where a gene from one progenitor species has been converted to the copy from a second progenitor species. Some of these gene conversion events appear to have been selected by humans as part of the process of domestication and crop improvement. Science , this issue p. 950

The Brassica rapa Genome Sequencing Project Consortium reports the draft genome of the B. rapa accession Chiifu-401-42, an inbred Chinese cabbage line. The B. rapa genome should provide a useful reference genome for the Brassica species, which include many important oil and vegetable crops. We report the annotation and analysis of the draft genome sequence of Brassica rapa accession Chiifu-401-42, a Chinese cabbage. We modeled 41,174 protein coding genes in the B. rapa genome, which has undergone genome triplication. We used Arabidopsis thaliana as an outgroup for investigating the consequences of genome triplication, such as structural and functional evolution. The extent of gene loss (fractionation) among triplicated genome segments varies, with one of the three copies consistently retaining a disproportionately large fraction of the genes expected to have been present in its ancestor. Variation in the number of members of gene families present in the genome may contribute to the remarkable morphological plasticity of Brassica species. The B. rapa genome sequence provides an important resource for studying the evolution of polyploid genomes and underpins the genetic improvement of Brassica oil and vegetable crops.

Polyploidization has provided much genetic variation for plant adaptive evolution, but the mechanisms by which the molecular evolution of polyploid genomes establishes genetic architecture underlying species differentiation are unclear. Brassica is an ideal model to increase knowledge of polyploid evolution. Here we describe a draft genome sequence of Brassica oleracea, comparing it with that of its sister species B. rapa to reveal numerous chromosome rearrangements and asymmetrical gene loss in duplicated genomic blocks, asymmetrical amplification of transposable elements, differential gene co-retention for specific pathways and variation in gene expression, including alternative splicing, among a large number of paralogous and orthologous genes. Genes related to the production of anticancer phytochemicals and morphological variations illustrate consequences of genome duplication and gene divergence, imparting biochemical and morphological variation to B. oleracea. This study provides insights into Brassica genome evolution and will underpin research into the many important crops in this genus. Brassica oleracea is plant species comprising economically important vegetable crops. Here, the authors report the draft genome sequence of B. oleracea and, through a comparative analysis with the closely related B. rapa, reveal insights into Brassicaevolution and divergence of interspecific genomes and intraspecific subgenomes.

It is difficult to overstate the cultural and biological impacts that the domestication of plants and animals has had on our species. Fundamental questions regarding where, when, and how many times domestication took place have been of primary interest within a wide range of academic disciplines. Within the last two decades, the advent of new archaeological and genetic techniques has revolutionized our understanding of the pattern and process of domestication and agricultural origins that led to our modern way of life. In the spring of 2011, 25 scholars with a central interest in domestication representing the fields of genetics, archaeobotany, zooarchaeology, geoarchaeology, and archaeology met at the National Evolutionary Synthesis Center to discuss recent domestication research progress and identify challenges for the future. In this introduction to the resulting Special Feature, we present the state of the art in the field by discussing what is known about the spatial and temporal patterns of domestication, and controversies surrounding the speed, intentionality, and evolutionary aspects of the domestication process. We then highlight three key challenges for future research. We conclude by arguing that although recent progress has been impressive, the next decade will yield even more substantial insights not only into how domestication took place, but also when and where it did, and where and why it did not.

Many previous studies have provided evidence for genome changes in polyploids, but there are little data on the overall population dynamics of genome change and whether it causes phenotypic variability. We analyzed genetic, epigenetic, gene expression, and phenotypic changes in approximately 50 resynthesized Brassica napus lines independently derived by hybridizing double haploids of Brassica oleracea and Brassica rapa. A previous analysis of the first generation (S0) found that genetic changes were rare, and cytosine methylation changes were frequent. Our analysis of a later generation found that most S0 methylation changes remained fixed in their S5 progeny, although there were some reversions and new methylation changes. Genetic changes were much more frequent in the S5 generation, occurring in every line with lines normally distributed for number of changes. Genetic changes were detected on 36 of the 38 chromosomes of the S5 allopolyploids and were not random across the genome. DNA fragment losses within lines often occurred at linked marker loci, and most fragment losses co-occurred with intensification of signal from homoeologous markers, indicating that the changes were due to homoeologous nonreciprocal transpositions (HNRTs). HNRTs between chromosomes A1 and C1 initiated in early generations, occurred in successive generations, and segregated, consistent with a recombination mechanism. HNRTs and deletions were correlated with qualitative changes in the expression of specific homoeologous genes and anonymous cDNA amplified fragment length polymorphisms and with phenotypic variation among S5 polyploids. Our data indicate that exchanges among homoeologous chromosomes are a major mechanism creating novel allele combinations and phenotypic variation in newly formed B. napus polyploids.

Coevolutionary interactions are thought to have spurred the evolution of key innovations and driven the diversification of much of life on Earth. However, the genetic and evolutionary basis of the innovations that facilitate such interactions remains poorly understood. We examined the coevolutionary interactions between plants (Brassicales) and butterflies (Pieridae), and uncovered evidence for an escalating evolutionary arms-race. Although gradual changes in trait complexity appear to have been facilitated by allelic turnover, key innovations are associated with gene and genome duplications. Furthermore, we show that the origins of both chemical defenses and of molecular counter adaptations were associated with shifts in diversification rates during the arms-race. These findings provide an important connection between the origins of biodiversity, coevolution, and the role of gene and genome duplications as a substrate for novel traits.

Brassica oleracea is a valuable vegetable species that has contributed to human health and nutrition for hundreds of years and comprises multiple distinct cultivar groups with diverse morphological and phytochemical attributes. In addition to this phenotypic wealth, B. oleracea offers unique insights into polyploid evolution, as it results from multiple ancestral polyploidy events and a final Brassiceae-specific triplication event. Further, B. oleracea represents one of the diploid genomes that formed the economically important allopolyploid oilseed, Brassica napus. A deeper understanding of B. oleracea genome architecture provides a foundation for crop improvement strategies throughout the Brassica genus. We generate an assembly representing 75% of the predicted B. oleracea genome using a hybrid Illumina/Roche 454 approach. Two dense genetic maps are generated to anchor almost 92% of the assembled scaffolds to nine pseudo-chromosomes. Over 50,000 genes are annotated and 40% of the genome predicted to be repetitive, thus contributing to the increased genome size of B. oleracea compared to its close relative B. rapa. A snapshot of both the leaf transcriptome and methylome allows comparisons to be made across the triplicated sub-genomes, which resulted from the most recent Brassiceae-specific polyploidy event. Differential expression of the triplicated syntelogs and cytosine methylation levels across the sub-genomes suggest residual marks of the genome dominance that led to the current genome architecture. Although cytosine methylation does not correlate with individual gene dominance, the independent methylation patterns of triplicated copies suggest epigenetic mechanisms play a role in the functional diversification of duplicate genes.

Although it is agreed that a major polyploidy event, gamma, occurred within the eudicots, the phylogenetic placement of the event remains unclear. To determine when this polyploidization occurred relative to speciation events in angiosperm history, we employed a phylogenomic approach to investigate the timing of gene set duplications located on syntenic gamma blocks. We populated 769 putative gene families with large sets of homologs obtained from public transcriptomes of basal angiosperms, magnoliids, asterids, and more than 91.8 gigabases of new next-generation transcriptome sequences of non-grass monocots and basal eudicots. The overwhelming majority (95%) of well-resolved gamma duplications was placed before the separation of rosids and asterids and after the split of monocots and eudicots, providing strong evidence that the gamma polyploidy event occurred early in eudicot evolution. Further, the majority of gene duplications was placed after the divergence of the Ranunculales and core eudicots, indicating that the gamma appears to be restricted to core eudicots. Molecular dating estimates indicate that the duplication events were intensely concentrated around 117 million years ago. The rapid radiation of core eudicot lineages that gave rise to nearly 75% of angiosperm species appears to have occurred coincidentally or shortly following the gamma triplication event. Reconciliation of gene trees with a species phylogeny can elucidate the timing of major events in genome evolution, even when genome sequences are only available for a subset of species represented in the gene trees. Comprehensive transcriptome datasets are valuable complements to genome sequences for high-resolution phylogenomic analysis.

Abstract There is an increasing awareness that as a result of structural variation, a reference sequence representing a genome of a single individual is unable to capture all of the gene repertoire found in the species. A large number of genes affected by presence/absence and copy number variation suggest that it may contribute to phenotypic and agronomic trait diversity. Here we show by analysis of the Brassica oleracea pangenome that nearly 20% of genes are affected by presence/absence variation. Several genes displaying presence/absence variation are annotated with functions related to major agronomic traits, including disease resistance, flowering time, glucosinolate metabolism and vitamin biosynthesis.

Polyploidy has contributed to the evolution of eukaryotes, particularly flowering plants. The genomic consequences of polyploidy have been extensively studied, but the mechanisms for chromosome stability and diploidization in polyploids remain largely unknown. By using new cytogenetic tools to identify all of the homoeologous chromosomes, we conducted a cytological investigation of 50 resynthesized Brassica napus allopolyploids across generations S 0:1 to S 5:6 and in the S 10:11 generation. Changes in copy number of individual chromosomes were detected in the S 0:1 generation and increased in subsequent generations, despite the fact that the mean chromosome number among lines was approximately 38. The chromosome complement of individual plants (segregants) ranged from 36 to 42, with a bias toward the accumulation of extra chromosomes. Karyotype analysis of the S 10:11 generation detected aneuploidy and inter- and intragenomic rearrangements, chromosome breakage and fusion, rDNA changes, and loss of repeat sequences. Chromosome sets with extensive homoeology showed the greatest instability. Dosage balance requirements maintained chromosome numbers at or near the tetraploid level, and the loss and gain of chromosomes frequently involved homoeologous chromosome replacement and compensation. These data indicate that early generations of resynthesized B. napus involved aneuploidy and gross chromosomal rearrangements, and that dosage balance mechanisms enforced chromosome number stability. Seed yield and pollen viability were inversely correlated with increasing aneuploidy, and the greatest fertility was observed in two lines that were additive for parental chromosomes. These data on resynthesized B. napus and the correlation of fertility with additive karyotypes cast light on the origins and establishment of natural B. napus .