Abstract Background Cardamine chenopodiifolia is an amphicarpic plant that develops two fruit morphs, one above and the other below ground. Above-ground fruit disperse their seeds by explosive coiling of the fruit valves, while below-ground fruit are non-explosive. Amphicarpy is a rare trait that is associated with polyploidy in C. chenopodiifolia . Studies into the development and evolution of this trait are currently limited by the absence of genomic data for C. chenopodiifolia . Results We produced a chromosome-scale assembly of the octoploid C. chenopodiifolia genome using high-fidelity long read sequencing with the Pacific Biosciences platform. We successfully assembled 32 chromosomes and two organelle genomes with a total length of 597.2 Mbp and an N50 of 18.8 kbp (estimated genome size from flow cytometry: 626 Mbp). We assessed the quality of this assembly using genome-wide chromosome conformation capture (Omni-C) and BUSCO analysis (97.1% genome completeness). Additionally, we conducted synteny analysis to infer that C. chenopodiifolia likely originated via allo-rather than auto-polyploidy and phased one of the four sub-genomes. Conclusions This study provides a draft genome assembly for C. chenopodiifolia , which is a polyploid, amphicarpic species within the Brassicaceae family. This genome offers a valuable resource to investigate the under-studied trait of amphicarpy and the origin of new traits by allopolyploidy.

Summary Amphicarpy is an unusual trait where two fruit types develop: one above and the other below ground. This trait is not found in conventional model species, therefore, its development and molecular genetics remain under-studied. Here, we establish Cardamine chenopodiifolia as an emerging experimental system to study amphicarpy. We characterized the development of C. chenopodiifolia , focusing on differences in morphology and cell wall histochemistry between above- and below-ground fruit. We generated a reference transcriptome using PacBio full-length transcript sequencing (IsoSeq) and used a combination of short and long read sequencing to analyse differential gene expression between above- and below-ground fruit valves. C. chenopodiifolia has two contrasting modes of seed dispersal. The main shoot fails to bolt and initiates floral primordia that bury underground where they self-pollinate and set seed. By contrast, axillary shoots bolt to position flowers and exploding seed pods above ground. Morphological differences between aerial explosive fruit and subterranean non-explosive fruit were reflected in a large number of differentially regulated genes involved in photosynthesis, secondary cell wall formation and defence responses. Tools established in C. chenopodiifolia , such as a reference transcriptome, draft genome assembly and stable plant transformation, pave the way to explore under-studied traits and discover new biological mechanisms.

Abstract Exploding seed pods evolved in the Arabidopsis relative, Cardamine hirsuta , via morphomechanical innovations that allow the storage and rapid release of elastic energy. Asymmetric lignin deposition within endocarp b cell walls is one such innovation that is required for explosive seed dispersal and evolved in association with the trait. However, the genetic control of this novel lignin pattern is unknown. Here, we identify three lignin-polymerizing laccases, LAC4, 11 and 17, that precisely co-localize with, and are redundantly required for, asymmetric lignification of endocarp b cells. By screening for C. hirsuta mutants with less lignified fruit valves, we found that loss of function of the transcription factor gene SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE 7 ( SPL7 ) caused a reduction in endocarp b cell wall lignification and a consequent reduction in seed dispersal range. SPL7 is a conserved regulator of copper homeostasis and is both necessary and sufficient for copper to accumulate in the fruit. Laccases are copper-requiring enzymes. We discovered that laccase activity in endocarp b cell walls depends on the SPL7 pathway to acclimate to copper deficiency and provide sufficient copper for lignin polymerization. Hence, SPL7 links mineral nutrition to efficient dispersal of the next generation.