Abstract The members of the tribe Brassiceae share a whole genome triplication (WGT), and one proposed model for its formation is a “two-step” pair of hybridizations producing hexaploid descendants. However, evidence for this model is incomplete, and the evolutionary and functional constraints that drove evolution after the hexaploidy are even less understood. Here we report a new genome sequence of Crambe hispanica , a species sister to most sequenced Brassiceae. Using this new genome and three others that share the hexaploidy, we traced the history of gene loss after the WGT using POInT (the Polyploidy Orthology Inference Tool). We confirm the two-step formation model and infer that there was a significant temporal gap between those two allopolyploidizations, with about a third of the gene losses from the first two subgenomes occurring prior to the arrival of the third. We also, for the 90,000 individual genes in our study, make parental “subgenome” assignments, inferring, with measured uncertainty, which of the progenitor genomes of the allohexaploidy each gene derives from. We further show that each subgenome has a statistically distinguishable rate of homoeolog losses. There is little indication of functional distinction between the three subgenomes: the individual subgenomes show no patterns of functional enrichment, no excess of shared protein-protein or metabolic interactions between their members, and no biases in their likelihood of having experienced a recent selective sweep. We propose a “mix and match” model of allopolyploidy, where subgenome origin drives homoeolog loss propensities but where genes from different subgenomes function together without difficulty.

Abstract The Gene Balance Hypothesis (GBH) proposes that selection acts on the dosage (i.e. copy number) of genes within dosage-sensitive portions of networks, pathways, and protein complexes to maintain balanced stoichiometry of interacting proteins, because perturbations to stoichiometric balance can result in reduced fitness. This selection has been called dosage balance selection. Dosage balance selection is also hypothesized to constrain expression responses to dosage changes, making dosage-sensitive genes (those encoding members of interacting proteins) experience more similar expression changes. In allopolyploids, where whole-genome duplication involves hybridization of diverged lineages, organisms often experience homoeologous exchanges (HEs) that recombine, duplicate, and delete homoeologous regions of the genome and alter the expression of homoeologous gene pairs. Although the GBH makes predictions about the expression response to HEs, they have not been empirically tested. We used genomic and transcriptomic data from six resynthesized, isogenic Brassica napus lines over ten generations to identify HEs, analyzed expression responses, and tested for patterns of genomic imbalance. Groups of dosage-sensitive genes had less variable expression responses to HEs than dosage-insensitive genes, a sign that their relative dosage is constrained. This difference was absent for homoeologous pairs whose expression was biased toward the BnA subgenome. Finally, the expression response to HEs was more variable than the response to WGD, suggesting HEs create genomic imbalance. These findings expand our knowledge of the impact of dosage balance selection on genome evolution and potentially connect patterns in polyploid genomes over time; from homoeolog expression bias to duplicate gene retention.

Physiologically relevant drought stress is difficult to apply consistently, and the heterogeneity in experimental design, growth conditions, and sampling schemes make it challenging to compare water deficit studies in plants. Here, we re-analyzed hundreds of drought gene expression experiments across diverse model and crop species and quantified the variability across studies. We found that drought studies are surprisingly uncomparable, even when accounting for differences in genotype, environment, drought severity, and method of drying. Many studies, including most Arabidopsis work, lack high-quality phenotypic and physiological datasets to accompany gene expression, making it impossible to assess the severity or in some cases the occurrence of water deficit stress events. From these datasets, we developed supervised learning classifiers that can accurately predict if RNA-seq samples have experienced a physiologically relevant drought stress, and suggest this can be used as a quality control for future studies. Together, our analyses highlight the need for more community standardization, and the importance of paired physiology data to quantify stress severity for reproducibility and future data analyses.

The ability to predict traits from genome-wide sequence information (Genomic Prediction, GP), has improved our understanding of the genetic basis of complex traits and transformed breeding practices. Transcriptome data may also be useful for GP. However, it remains unclear how well transcript levels can predict traits, particularly when traits are scored at different development stages. Using maize genetic markers and transcript levels from seedlings to predict mature plant traits, we found transcript and genetic marker models have similar performance. Surprisingly, genetic markers important for predictions were not close to or identified as regulatory variants for important transcripts. Thus, transcript levels are predictive not simply due to genetic variation. Furthermore, genetic marker models identified only one of 14 benchmark flowering time genes, while transcript models identified five. Our findings highlight that transcriptome data is useful for GP and can provide a link between traits and variation that cannot be readily captured at the sequence level.

Abstract Background Sour cherry ( Prunus cerasus L.) is a valuable fruit crop in the Rosaceae family and a hybrid between progenitors most closely related to extant P. fruticosa (ground cherry) and P. avium (sweet cherry). Sour cherry is an allotetraploid with few genomic resources, so a genome sequence would greatly facilitate the improvement of this crop. In Prunus , two known classes of genes are of particular importance to breeding strategies: the self-incompatibility loci ( S -alleles), which determine compatible crosses and are critically important for successful fertilization and fruit set, and the Dormancy Associated MADS-box genes (DAMs), which strongly affect dormancy transitions and flowering time. Results Here we report a chromosome-scale genome assembly for sour cherry cultivar ‘Montmorency’, the predominant sour cherry cultivar grown in the U.S. We also generated a draft assembly of P. fruticosa to use alongside a published P. avium sequence for syntelog-based subgenome assignments for ‘Montmorency’. Using hierarchal k-mer clustering and phylogenomics, we provide compelling evidence this allotetraploid is trigenomic, containing two distinct subgenomes inherited from a P. fruticosa-like ancestor (A and A’) and two copies of the same subgenome inherited from a P. avium-like ancestor (BB). We therefore assigned the genome composition of ‘Montmorency’ to be AA’BB and show little to no recombination has occurred between progenitor subgenomes (A/A’ and B). The S -alleles and DAMs in ‘Montmorency’ and P. fruticosa were manually annotated and demonstrated to support the three subgenome assignments. Lastly, the hybridization event that ‘Montmorency’ is descended from was estimated to have occurred less than 1.61 million years ago, making sour cherry a relatively recent allotetraploid. Conclusions The genome of sour cherry cultivar Montmorency highlights the evolutionary complexity of the genus Prunus . These genomic resources will inform future breeding strategies for sour cherry, comparative genomics in the Rosaceae, and questions regarding neopolyploidy.

ABSTRACT Desiccation tolerance evolved recurrently across diverse plant lineages to enable survival in water limited conditions. Many resurrection plants are polyploid and several groups have hypothesized that polyploidy enabled the evolution of desiccation tolerance. However, due to the vast evolutionary divergence between resurrection plant lineages, the rarity of desiccation tolerance, and the prevalence of polyploidy in plants, this hypothesis has been difficult to test. Here, we surveyed variation in morphological, reproductive, and desiccation tolerance traits across natural populations of a single species that has differing ploidies and tested for links between polyploidy and resilience. We sampled multiple populations of the resurrection grass Microchloa caffra across an environmental gradient ranging from mesic to xeric in South Africa. We describe two distinct ecotypes of M. caffra that occupy different ends of the environmental gradient and exhibit consistent differences in ploidy, morphological, reproductive, and desiccation tolerance traits in both field and common growth conditions. Interestingly, plants with more polyploid genomes were consistently more desiccation tolerant, less reproductive, and larger than plants with smaller genomes and lower ploidy. These data suggest that polyploidy enhances desiccation tolerance and that stronger selective pressures in increasingly xeric sites may play a role in maintaining and increasing desiccation tolerance.

Teff (Eragrostis tef) is a cornerstone of food security in the Horn of Africa, where it is prized for stress resilience, grain nutrition, and market value. Despite its overall importance to small-scale farmers and communities in Africa, teff suffers from low production compared to other cereals because of limited intensive selection and molecular breeding. Here we report a chromosome-scale genome assembly of allotetraploid teff (variety Dabbi) and patterns of subgenome dynamics. The teff genome contains two complete sets of homoeologous chromosomes, with most genes maintained as syntenic gene pairs. Through analyzing the history of transposable element activity, we estimate the teff polyploidy event occurred ~1.1 million years ago (mya) and the two subgenomes diverged ~5.0 mya. Despite this divergence, we detected no large-scale structural rearrangements, homoeologous exchanges, or bias gene loss, contrasting most other allopolyploid plant systems. The exceptional subgenome stability observed in teff may enable the ubiquitous and recurrent polyploidy within Chloridoideae, possibly contributing to the increased resilience and diversification of these grasses. The two teff subgenomes have partitioned their ancestral functions based on divergent expression patterns among homoeologous gene pairs across a diverse expression atlas. The most striking differences in homoeolog expression bias are observed during seed development and under abiotic stress, and thus may be related to agronomic traits. Together these genomic resources will be useful for accelerating breeding efforts of this underutilized grain crop and for acquiring fundamental insights into polyploid genome evolution.