Abstract A transition to selfing can be beneficial when mating partners are scarce, for example, due to ploidy changes or at species range edges. Here we explain how self-compatibility evolved in diploid Siberian Arabidopsis lyrata, and how it contributed to the establishment of allotetraploid A. kamchatica . First, we provide chromosome-level genome assemblies for two self-fertilizing diploid A. lyrata accessions, one from North America and one from Siberia, including a fully assembled S-locus for the latter. We then propose a sequence of events leading to the loss of self-incompatibility in Siberian A. lyrata, date this independent transition to ∼90 Kya, and infer evolutionary relationships between Siberian and North American A. lyrata, showing an independent transition to selfing in Siberia. Finally, we provide evidence that this selfing Siberian A. lyrata lineage contributed to the formation of the allotetraploid A. kamchatica and propose that the selfing of the latter is mediated by the loss-of-function mutation in a dominant S -allele inherited from A. lyrata .

ABSTRACT Seagrasses comprise the only submerged marine angiosperms, a feat of adaptation from three independent freshwater lineages within the Alismatales. These three parallel lineages offer the unique opportunity to study convergent versus lineage-specific adaptation to a fully marine lifestyle. Here, we present chromosome-level genome assemblies from a representative species of each of the seagrass lineages - Posidonia oceanica (Posidoniaceae), Cymodocea nodosa (Cymodoceaceae), and Thalassia testudinum (Hydrocharitaceae) - along with an improved assembly for Zostera marina (Zosteraceae). We also include a draft genome of Potamogeton acutifolius , a representative of Potamogetonaceae, the freshwater sister lineage to the Zosteraceae. Genome analysis reveals that all seagrasses share an ancient whole genome triplication (WGT) event, dating to the early evolution of the Alismatales. An additional whole genome duplication (WGD) event was uncovered for C. nodosa and P. acutifolius . Dating of ancient WGDs and more recent bursts of transposable elements correlate well with major geological and recent climatic events, supporting their role as rapid generators of genetic variation. Comparative analysis of selected gene families suggests that the transition from the submerged-freshwater to submerged-marine environment did not require revolutionary changes. Major gene losses related to, e.g., stomata, volatiles, defense, and lignification, are likely a consequence of the submerged lifestyle rather than the cause (‘use it or lose it’). Likewise, genes, often retained from the WGD and WGT, were co-opted for functions requiring the alignment of many small adaptations (‘tweaking’), e.g., osmoregulation, salinity, light capture, carbon acquisition, and temperature. Our ability to manage and conserve seagrass ecosystems depends on our understanding of the fundamental processes underpinning their resilience. These new genomes will accelerate functional studies and are expected to contribute to transformative solutions — as continuing worldwide losses of the ‘savannas of the sea’ are of major concern in times of climate change and loss of biodiversity.

Summary/Abstract Whole-genome duplications yield varied chromosomal pairing patterns, ranging from strictly bivalent to multivalent, resulting in disomic and polysomic inheritance modes. In the bivalent case, homeologous chromosomes form pairs, where in a multivalent pattern all copies are homologous and are therefore free to pair and recombine. As sufficient sequencing data is more readily available than high-quality cytological assessments of meiotic behavior or population genetic assessment of allelic segregation, especially for non-model organisms, here we describe two bioinformatics approaches to infer origins and inheritance modes of polyploids using short-read sequencing data. The first approach is based on distributions of allelic read depth at the heterozygous sites within an individual, as the expectations of such distributions are different for disomic and polysomic inheritance modes. The second approach is more laborious and based on a phylogenetic assessment of partially phased haplotypes of a polyploid in comparison to the closest diploid relatives. We discuss the sources of deviations from expected inheritance patterns, advantages and pitfalls of both methods, effects of mating types on the performance of the methods, and possible future developments.

Whereas polyploidy is common and an important evolutionary factor in most land plant lineages it is a real rarity in gymnosperms. Coast redwood (Sequoia sempervirens) is the only hexaploid conifer and one of just two naturally polyploid conifer species. Numerous hypotheses about the mechanism of polyploidy in Sequoia and parental genome donors have been proffered over the years, primarily based on morphological and cytological data, but it remains unclear how Sequoia became polyploid and why this lineage overcame an apparent gymnosperm barrier to whole-genome duplication (WGD). We sequenced transcriptomes and used phylogenetic inference, Bayesian concordance analysis, and paralog age distributions to resolve relationships among gene copies in hexaploid coast redwood and its close relatives. Our data show that hexaploidy in the coast redwood lineage is best explained by autopolyploidy or, if there was allopolyploidy, this was restricted to within the Californian redwood clade. We found that duplicate genes have more similar sequences than would be expected given evidence from fossil guard cell size which suggest that polyploidy dates to the Eocene. Conflict between molecular and fossil estimates of WGD can be explained if diploidization occurred very slowly following whole genome duplication. We extrapolate from this to suggest that the rarity of polyploidy in conifers may be due to slow rates of diploidization in this clade.

The giant sequoia Sequoiadendron giganteum of California are massive, long-lived trees that grow along the U.S. Sierra Nevada mountains. As they grow primarily in isolated groves within a narrow range, conservation of existing trees has been a national goal for over 150 years. Genomic data are limited in giant sequoia, and the assembly and annotation of the first giant sequoia genome has been an important goal to allow marker development for restoration and management. Using Illumina and Oxford Nanopore sequencing combined with Dovetail chromosome conformation capture libraries, 8.125 Gbp of sequence was assembled into eleven chromosome-scale scaffolds. This giant sequoia assembly represents the first genome sequenced in the Cupressaceae family, and lays a foundation for using genomic tools to aid in giant sequoia conservation and management. Beyond conservation and management applications, the giant sequoia assembly is a resource for answering questions about the life history of this enigmatic and robust species. Here we provide an example by taking an inventory of the large and complex family of NLR type disease resistance genes.

Abundance of polyploidy varies across lineages, evolutionary time and geography, suggesting both genetics and environment play a role in polyploid persistence. Arabidopsis lyrata appears to be the most polyploidy-rich species-complex in the Arabidopsis genus, with multiple origins of autotetraploidy. This is revealed by genomic data from over 400 samples across Eurasia. We found over 30 previously undescribed autotetraploid populations in Siberia with a minimum of two separate origins, independent of those previously reported in Central Europe. The establishment of Siberian tetraploids is mediated by meiotic adaptation at the same genes as in European tetraploid A. lyrata and Arabidopsis arenosa , despite high divergence and geographical separation. Haplotype analysis based on synthetic long-read assemblies supports the long-range introgression of adaptive alleles from the tetraploid interspecific pool of European A. lyrata and A. arenosa to tetraploid Siberian A. lyrata . Once evolved, adaptations to polyploidy promote the establishment of new polyploid lineages through adaptive inter- and intraspecific introgression.