A critical review of characters used in the systematics of the Brassicaceae is given, and aspects of the origin, classification, and generic delimitation of the family discussed. Molecular phylogenetic studies of the family were reviewed, and major clades identified. Based on molecular studies, especially from the ndhF chloroplast gene, and careful evaluation of morphology and generic circumscriptions, a new tribal alignment of the Brassicaceae is proposed. In all, 25 tribes are recognized, of which seven (Aethionemeae, Boechereae, Descurainieae, Eutremeae, Halimolobeae, Noccaeeae, and Smelowskieae) are described as new. For each tribe, the center(s) of distribution, morphology, and number of taxa are given. Of the 338 genera currently recognized in the Brassicaceae, about 260 genera (or about 77%) were either assigned or tentatively assigned to the 25 tribes. Some problems relating to various genera and tribes are discussed, and future research developments are briefly covered.

Dated molecular phylogenies are the basis for understanding species diversity and for linking changes in rates of diversification with historical events such as restructuring in developmental pathways, genome doubling, or dispersal onto a new continent. Valid fossil calibration points are essential to the accurate estimation of divergence dates, but for many groups of flowering plants fossil evidence is unavailable or limited. Arabidopsis thaliana , the primary genetic model in plant biology and the first plant to have its entire genome sequenced, belongs to one such group, the plant family Brassicaceae. Thus, the timing of A. thaliana evolution and the history of its genome have been controversial. We bring previously overlooked fossil evidence to bear on these questions and find the split between A. thaliana and Arabidopsis lyrata occurred about 13 Mya, and that the split between Arabidopsis and the Brassica complex (broccoli, cabbage, canola) occurred about 43 Mya. These estimates, which are two- to threefold older than previous estimates, indicate that gene, genomic, and developmental evolution occurred much more slowly than previously hypothesized and that Arabidopsis evolved during a period of warming rather than of cooling. We detected a 2- to 10-fold shift in species diversification rates on the branch uniting Brassicaceae with its sister families. The timing of this shift suggests a possible impact of the Cretaceous–Paleogene mass extinction on their radiation and that Brassicales codiversified with pierid butterflies that specialize on mustard-oil–producing plants.

Recent epidemiological studies have established an association between the common consumption of coffee or other caffeinated beverages and a reduced risk of developing Parkinson's disease (PD).To explore the possibility that caffeine helps prevent the dopaminergic deficits characteristic of PD, we investigated the effects of caffeine and the adenosine receptor subtypes through which it may act in the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) neurotoxin model of PD.Caffeine, at doses comparable to those of typical human exposure, attenuated MPTP-induced loss of striatal dopamine and dopamine transporter binding sites.The effects of caffeine were mimicked by several A 2A antagonists (7-(2-phenylethyl)-5-amino-2-(2-furyl)-pyrazolo-[4,3-e]-1,2,4-triazolo[1,5-c]pyrimidine (SCH 58261), 3,7-dimethyl-1-propargylxanthine, and (E)-1,3-diethyl-8 (KW-6002)-(3,4-dimethoxystyryl)-7-methyl-3,7-dihydro-1Hpurine-2,6-dione) (KW-6002) and by genetic inactivation of the A 2A receptor, but not by A 1 receptor blockade with 8-cyclopentyl-1,3dipropylxanthine, suggesting that caffeine attenuates MPTP toxicity by A 2A receptor blockade.These data establish a potential neural basis for the inverse association of caffeine with the development of PD, and they enhance the potential of A 2A antagonists as a novel treatment for this neurodegenerative disease.

To estimate the evolutionary history of the mustard family (Brassicaceae or Cruciferae), we sampled 113 species, representing 101 of the roughly 350 genera and 17 of the 19 tribes of the family, for the chloroplast gene ndhF. The included accessions increase the number of genera sampled over previous phylogenetic studies by four-fold. Using parsimony, likelihood, and Bayesian methods, we reconstructed the phylogeny of the gene and used the Shimodaira-Hasegawa test (S-H test) to compare the phylogenetic results with the most recent tribal classification for the family. The resultant phylogeny allowed a critical assessment of variations in fruit morphology and seed anatomy, upon which the current classification is based. We also used the S-H test to examine the utility of trichome branching patterns for describing monophyletic groups in the ndhF phylogeny. Our phylogenetic results indicate that 97 of 114 ingroup accessions fall into one of 21 strongly supported clades. Some of these clades can themselves be grouped into strongly to moderately supported monophyletic groups. One of these lineages is a novel grouping overlooked in previous phylogenetic studies. Results comparing 30 different scenarios of evolution by the S-H test indicate that five of 12 tribes represented by two or more genera in the study are clearly polyphyletic, although a few tribes are not sampled well enough to establish para- or polyphyly. In addition, branched trichomes likely evolved independently several times in the Brassicaceae, although malpighiaceous and stellate trichomes may each have a single origin.

Abstract The telomerase ribonucleoprotein complex (RNP) is essential for genome stability and performs this role through the addition of repetitive DNA to the ends of chromosomes. The telomerase enzyme is composed of a reverse transcriptase (TERT), which utilizes a template domain in an RNA subunit (TER) to reiteratively add telomeric DNA at the ends of chromosomes. Multiple TERs have been identified in the model plant Arabidopsis thaliana . Here we combine a phylogenetic and biochemical approach to understand how the telomerase RNP has evolved in Brassicaceae, the family that includes A. thaliana . Because of the complex phylogenetic pattern of template domain loss and alteration at the previously characterized A. thaliana TER loci, TER1 and TER2 , across the plant family Brassicaceae, we bred double mutants from plants with a template deletion at AtTER1 and T-DNA insertion at AtTER2 . These double mutants exhibited no telomere length deficiency, a definitive indication that neither of these loci encode a functional telomerase RNA. Moreover, we determined that the telomerase components TERT, Dyskerin , and the KU heterodimer are under strong purifying selection, consistent with the idea that the TER with which they interact is also conserved. To test this hypothesis further, we analyzed the substrate specificity of telomerase from species across Brassicaceae and determined that telomerase from close relatives bind and extend substrates in a similar manner, supporting the idea that TERs in different species are highly similar to one another and are likely encoded from an orthologous locus. Lastly, TERT proteins from across Brassicaceae were able to complement loss of function tert mutants in vivo , indicating TERTs from other species have the ability to recognize the native TER of A. thaliana . Finally, we immunoprecipitated the telomerase complex and identified associated RNAs via RNA-seq. Using our evolutionary data we constrained our analyses to conserved RNAs within Brassicaceae that contained a template domain. These analyses revealed a highly expressed locus whose disruption by a T-DNA resulted in a telomeric phenotype similar to the loss of other telomerase core proteins, indicating that the RNA has an important function in telomere maintenance.

Abstract A signaling complex comprising members of the LORELEI (LRE)-LIKE GPI-anchored protein (LLG) and Catharanthus roseus RECEPTOR-LIKE KINASE 1-LIKE ( Cr RLK1L) families perceive RAPID ALKALINIZATION FACTOR (RALF) peptides and regulate growth, reproduction, immunity, and stress responses in Arabidopsis. Genes encoding these proteins are members of multi-gene families in most angiosperms and could generate thousands of signaling complex variants. However, the link(s) between expansion of these gene families and the functional diversification of this critical signaling complex as well as the evolutionary factors underlying the maintenance of gene duplicates remain unknown. Here, we investigated LLG gene family evolution, function, and expression in angiosperms. We found that LLGs in monocots and eudicots are descendants of a duplication early in angiosperm evolution and that both ancient and recent LLG duplicates are retained. Complementation and expression analysis showed that expression divergence of LLGs (regulatory subfunctionalization), rather than functional divergence, explains the retention of paralogs in Brassicales. All but one extant monocot and eudicot species examined maintained an LLG copy with preferential expression in male reproductive tissues, with the other duplicate copies showed highest levels of expression in female or vegetative tissues. Interestingly, the single LLG copy in Amborella (sister to all other angiosperms) is expressed vastly higher in male compared to female reproductive or vegetative tissues. Reconstruction of expression evolution showed that the highest inferred expression levels for the single copy ancestral angiosperm LLG was in male reproductive tissues. We propose that expression divergence played an important role in maintenance of LLG duplicates in angiosperms. One Sentence Summary Expression divergence played an important role in maintenance of two sub-groups of LLG duplicates in angiosperms

Abstract Long intergenic noncoding RNAs (lincRNAs) are a large yet enigmatic class of eukaryotic transcripts with critical biological functions. Despite the wealth of RNA-seq data available, lincRNA identification lags in the plant lineage. In addition, there is a need for a harmonized identification and annotation effort to enable cross-species functional and genomic comparisons. In this study we processed >24 Tbp of RNA-seq data from >16,000 experiments to identify ~130,000 lincRNAs in four Brassicaceae: Arabidopsis thaliana , Camelina sativa, Brassica rapa , and Eutrema salsugineum . We used Nanopore RNA-seq, transcriptome-wide structural information, peptide data, and epigenomic data to characterize these lincRNAs and identify functional motifs. We then used comparative genomic and transcriptomic approaches to highlight lincRNAs in our dataset with sequence or transcriptional evolutionary conservation, including lincRNAs transcribed adjacent to orthologous genes that display little sequence similarity and likely function as transcriptional regulators. Finally, we used guilt-by-association techniques to further classify these lincRNAs according to putative function. LincRNAs with Brassicaceae-conserved putative miRNA binding motifs, short ORFs, and whose expression is modulated by abiotic stress are a few of the annotations that will prioritize and guide future functional analyses.

Abstract In plants, de novo DNA methylation is guided by 24-nt short interfering (si)RNAs in a process called RNA-directed DNA methylation (RdDM). Primarily targeted at transposons, RdDM causes transcriptional silencing and can indirectly influence expression of neighboring genes. During reproduction, a small number of siRNA loci are dramatically upregulated in the maternally-derived seed coat, suggesting that RdDM might have a special function during reproduction. However, the developmental consequence of RdDM has been difficult to dissect because disruption of RdDM does not result in overt phenotypes in Arabidopsis thaliana , where the pathway has been most thoroughly studied. In contrast, Brassica rapa mutants lacking RdDM have a severe seed production defect, which is determined by the maternal sporophytic genotype. To explore the factors that underlie the different phenotypes of these species, we produced RdDM mutations in three additional members of the Brassicaceae family: Camelina sativa, Capsella rubella , and Capsella grandiflora . Among these three species, only mutations in the obligate outcrosser, C. grandiflora , displayed a seed production defect similar to Brassica rapa mutants, suggesting that mating system is a key determinant for reproductive phenotypes in RdDM mutants.

Gene duplication is an important driver for the evolution of new genes and protein functions. Duplication of DNA-dependent RNA polymerase (Pol) II subunits within plants led to the emergence of RNA Pol IV and V complexes, each of which possess unique functions necessary for RNA-directed DNA Methylation. Comprehensive identification of Pol V subunit orthologs across the monocot radiation revealed a duplication of the largest two subunits within the grasses (Poaceae), including critical cereal crops. These paralogous Pol subunits display sequence conservation within catalytic domains, but their carboxy terminal domains differ in length and character of the Ago-binding platform, suggesting unique functional interactions. Phylogenetic analysis of the catalytic region indicates positive selection on one paralog following duplication, consistent with retention via neofunctionalization. Positive selection on residue pairs that are predicted to interact between subunits suggests that paralogous subunits have evolved specific assembly partners. Additional Pol subunits as well as Pol-interacting proteins also possess grass-specific paralogs, supporting the hypothesis that a novel Pol complex with distinct function has evolved in the grass family, Poaceae.

Introgressive hybridization results in the transfer of genetic material between species, often with fitness implications for the recipient species. The development of statistical methods for detecting the signatures of historical introgression (IG) in whole-genome data has been a major area of focus. While existing techniques are able to identify the taxa that exchanged genes during IG using a four-taxon system, most methods do not explicitly distinguish which taxon served as donor and which as recipient during IG (i.e. polarization of IG directionality). The existing methods that do polarize IG are only able to do so when there is a fifth taxon available and that taxon is sister to one of the taxa involved in IG. Here, we present Divergence-based Introgression Polarization (DIP), a method for polarizing IG using patterns of sequence divergence across whole genomes, which operates in a four-taxon context. Thus, DIP can be applied to infer the directionality of IG when additional taxa are not available. We use simulations to show that DIP can polarize IG and identify potential sources of bias in the assignment of directionality, and we apply DIP to a well-described hominin IG event.