Green plants (Viridiplantae) include around 450,000-500,000 species1,2 of great diversity and have important roles in terrestrial and aquatic ecosystems. Here, as part of the One Thousand Plant Transcriptomes Initiative, we sequenced the vegetative transcriptomes of 1,124 species that span the diversity of plants in a broad sense (Archaeplastida), including green plants (Viridiplantae), glaucophytes (Glaucophyta) and red algae (Rhodophyta). Our analysis provides a robust phylogenomic framework for examining the evolution of green plants. Most inferred species relationships are well supported across multiple species tree and supermatrix analyses, but discordance among plastid and nuclear gene trees at a few important nodes highlights the complexity of plant genome evolution, including polyploidy, periods of rapid speciation, and extinction. Incomplete sorting of ancestral variation, polyploidization and massive expansions of gene families punctuate the evolutionary history of green plants. Notably, we find that large expansions of gene families preceded the origins of green plants, land plants and vascular plants, whereas whole-genome duplications are inferred to have occurred repeatedly throughout the evolution of flowering plants and ferns. The increasing availability of high-quality plant genome sequences and advances in functional genomics are enabling research on genome evolution across the green tree of life.

Abstract Premise Competition from naturalized species and habitat loss are common threats to native biodiversity and may act synergistically to increase competition for decreasing habitat availability. We use Hawaiian dryland ferns as a model for the interactions between land‐use change and competition from naturalized species in determining habitat availability. Methods We used fine‐resolution climatic variables and carefully curated occurrence data from herbaria and community science repositories to estimate the distributions of Hawaiian dryland ferns. We quantified the degree to which naturalized ferns tend to occupy areas suitable for native species and mapped the remaining available habitat given land‐use change. Results Of all native species, Doryopteris angelica had the lowest percentage of occurrences of naturalized species in its suitable area while D. decora had the highest. However, all Doryopteris spp. had a higher percentage overlap, while Pellaea ternifolia had a lower percentage overlap, than expected by chance. Doryopteris decora and D. decipiens had the lowest proportions ( < 20%) of suitable area covering native habitat. Discussion Areas characterized by shared environmental preferences of native and naturalized ferns may decrease due to human development and fallowed agricultural lands. Our study demonstrates the value of place‐based application of a recently developed correlative ecological niche modeling approach for conservation risk assessment in a rapidly changing and urbanized island ecosystem.

Crassulacean acid metabolism (CAM) photosynthesis is a modification of the core C3 photosynthetic pathway that improves the ability of plants to assimilate carbon in water-limited environments. CAM plants fix CO2 mostly at night, when transpiration rates are low. All of the CAM pathway genes exist in ancestral C3 species, but the timing and magnitude of expression are greatly altered between C3 and CAM species. Understanding these regulatory changes is key to elucidating the mechanism by which CAM evolved from C3. Here we use two closely related species in the Orchidaceae, Erycina pusilla (CAM) and Erycina crista-galli (C3), to conduct comparative transcriptomic analyses across multiple time points. Clustering of genes with expression variation across the diel cycle revealed some canonical CAM pathway genes similarly expressed in both species, regardless of photosynthetic pathway. However, gene network construction indicated that 149 gene families had significant differences in network connectivity and were further explored for these functional enrichments. Genes involved in light sensing and ABA signaling were some of the most differently connected genes between the C3 and CAM Erycina species, in agreement with the contrasting diel patterns of stomatal conductance in C3 and CAM plants. Our results suggest changes to transcriptional cascades are important for the transition from C3 to CAM photosynthesis in Erycina.

Crassulacean acid metabolism (CAM) is a carbon-concentrating mechanism that has evolved numerous times across flowering plants and is thought to be an adaptation to water limited environments. CAM has been investigated from physiological and biochemical perspectives but little is known about how plants evolve from C3 to CAM at the genetic or metabolic level. Here we take a comparative approach in analyzing time-course data of C3, CAM, and C3-CAM intermediate Yucca (Asparagaceae) species. RNA samples were collected over a 24-hour period from both well-watered and drought-stressed plants and were clustered based on time-dependent expression patterns. Metabolomic comparisons of the C3 and CAM species link gene expression to carbohydrate metabolism and gene network co-expression analyses revealed compositional and functional changes to networks containing canonical CAM genes. Observed differences in carbohydrate metabolism and antioxidant response between the CAM and C3 species reveal alternative sugar and starch degradation pathways, underscoring the need for more comparative metabolomic analyses to understand the evolution of CAM from C3. Despite many differences in transcript and metabolite profiles between the C3 and CAM species, shared time-structured expression of CAM genes in the C3 species suggests ancestral expression patterns required for CAM may have predated its origin in Yucca.

1. Abstract Identifying the drivers of trait evolution and diversification is central to understanding plant diversity and evolution. The subgenus Tillandsia (Bromeliaceae) belongs to one of the fastest radiating clades in the plant kingdom and is characterised by the repeated evolution of the water- conserving Crassulacean Acid Metabolism (CAM). Despite its complex genetic basis, CAM has evolved independently across many plant families and over short timescales. By producing the first high-quality genome assemblies of a species pair representing a recent CAM/C3 shift, we were able to pinpoint the genomic drivers of trait evolution and diversification in Tillandsia . We combined genome-wide investigations of synteny, TE dynamics, sequence evolution, gene family evolution and differential expression to highlight the crucial role of rapid gene family expansion and transposable element activity associated with differentially expressed genes in fuelling CAM/C3 shifts in this vast plant radiation.

Abstract Population structure of Cannabis sativa L. was explored across nine independent collections that each contained a unique sampling of varieties. Hierarchical Clustering of Principal Components (HCPC) identified a range of three to seven genetic clusters across datasets with inconsistent structure based on use type indicating the importance of sampling particularly when there is limited passport data. There was broader genetic diversity in modern cultivars relative to landraces. Further, in a subset of geo-referenced landrace accessions, population structure was observed based on geography. The inconsistent structure across different collections shows the complexity within Cannabis , and the importance of understanding any particular collection which could then be leveraged in breeding programs for future crop improvement.

Abstract Hybridization in plants results in phenotypic and genotypic perturbations that can have dramatic effects on hybrid physiology, ecology, and overall fitness. Hybridization can also perturb epigenetic control of transposable elements, resulting in their proliferation. Understanding the mechanisms that maintain genomic integrity after hybridization is often confounded by changes in ploidy that occur in hybrid plant species. Homoploid hybrid species, which have no change in chromosome number relative to their parents, offer an opportunity to study the genomic consequences of hybridization in the absence of change in ploidy. Yucca gloriosa (Asparagaceae) is a young homoploid hybrid species, resulting from a cross between Yucca aloifolia and Yucca filamentosa . Previous analyses of ~11kb of the chloroplast genome and nuclear-encoded microsatellites implicated a single Y. aloifolia genotype as the maternal parent of Y. gloriosa. Using whole genome resequencing, we assembled chloroplast genomes from multiple accessions of all three species to re-assess the hybrid origins of Y. gloriosa. We further used re-sequencing data to annotate transposon abundance in the three species and mRNA-seq to analyze transcription of transposons. The chloroplast phylogeny and haplotype analysis suggest multiple hybridization events contributing to the origin of Y. gloriosa, with both parental species acting as the maternal donor. Transposon abundance at the superfamily level was significantly different between the three species; the hybrid was frequently intermediate to the parental species in TE superfamily abundance or appeared more similar to one or the other parent. In only one case – Copia LTR transposons – did Y. gloriosa have a significantly higher abundance relative to either parent. Expression patterns across the three species showed little increased transcriptional activity of transposons, suggesting that either no transposon release occurred in Y. gloriosa upon hybridization, or that any transposons that were activated via hybridization were rapidly silenced. Further work will assess the degree to which transposon abundance and location has affected the epigenomic landscape, gene expression, and ecophysiology in Y. gloriosa .

- Plants with Crassulacean acid metabolism (CAM) have long been associated with a specialized anatomy, including succulence and thick photosynthetic tissues. Firm, quantitative boundaries between non-CAM and CAM plants have yet to be established – if they indeed exist. - Using novel computer vision software to measure anatomy, we combined new measurements with published data across flowering plants. We then used machine learning and phylogenetic comparative methods to investigate relationships between CAM and anatomy. - We found significant differences in photosynthetic tissue anatomy between plants with differing CAM phenotypes. Machine learning based classification was over 95% accurate in differentiating CAM from non-CAM anatomy, and had over 70% recall of distinct CAM phenotypes. Phylogenetic least squares regression and threshold analyses revealed that CAM evolution was significantly correlated with increased mesophyll cell size, thicker leaves, and decreased intercellular airspace. - Our findings suggest that machine learning may be used to aid the discovery of new CAM species and that the evolutionary trajectory from non-CAM to strong, obligate CAM requires continual anatomical specialization.

Premise Competition from non-native species and habitat loss are common threats to biodiversity and may act synergistically to increase competition for decreasing habitat availability. We develop a workflow using Hawaiian dryland ferns as a model for the interactions between land-use change and non-native competition in determining available habitat for native species. Methods We use fine-resolution climatic variables and carefully curated occurrence data from herbaria and community science repositories to estimate the distributions of Hawaiian dryland. We quantify the degree to which non-natives occupy similar regions of niche space and map the remaining available habitat given land-use change in Hawai9i. Results The estimated niches for the endemic species (Doryopteris spp.) are more narrow than for the indigenous Pellaea ternifolia. Doryopteris angelica has the lowest proportion of non-native occurrences in its estimated suitable area while D. decora has the highest. Both D. decora and D. decipiens have low proportions (<20%) of inferred suitable area covering native habitat. Discussion Areas characterized by shared environmental preferences of native and non-native ferns may also decrease due to human development and fallowed agricultural lands. Our study demonstrates the value of a novel ecological niche modeling approach for conservation risk assessment in a rapidly changing and urbanized island ecosystem.

Abstract CAM photosynthesis has evolved repeatedly across the plant tree of life, yet our understanding of the genetic convergence across independent origins remains hampered by the lack of comparative studies. CAM is furthermore thought to be closely linked to the circadian clock in order to achieve temporal separation of carboxylation and sugar production. Here, we explore gene expression profiles in eight species from the Agavoideae (Asparagaceae) encompassing three independent origins of CAM. Using comparative physiology and transcriptomics, we examined the variable modes of CAM in this subfamily and the changes in gene expression across time of day and between well-watered and drought-stressed treatments. We further assessed gene expression and molecular evolution of genes encoding phosphoenolpyruvate carboxylase (PPC), an enzyme required for primary carbon fixation in CAM. Most time-of-day expression profiles are largely conserved across all eight species and suggest that large perturbations to the central clock are not required for CAM evolution. In contrast, transcriptional response to drought is highly lineage specific. Yucca and Beschorneria have CAM-like expression of PPC2 , a copy of PPC that has never been shown to be recruited for CAM in angiosperms, and evidence of positive selection in PPC genes implicates mutations that may have facilitated the recruitment for CAM function early in the evolutionary history of the Agavoideae. Together the physiological and transcriptomic comparison of closely related C 3 and CAM species reveals similar gene expression profiles, with the notable exception of differential recruitment of carboxylase enzymes for CAM function.