Abstract Suppressed recombination around a sex-determining locus allows divergence between homologous sex chromosomes and the functionality of their genes. Here, we reveal patterns of the earliest stages of sex-chromosome evolution in the diploid dioecious herb Mercurialis annua on the basis of cytological analysis, de novo genome assembly and annotation, genetic mapping, exome resequencing of natural populations, and transcriptome analysis. Both genetic mapping and exome resequencing of individuals across the species range independently identified the largest linkage group, LG1, as the sex chromosome. Although the sex chromosomes of M. annua are karyotypically homomorphic, we estimate that about a third of the Y chromosome has ceased recombining, a region containing 568 transcripts and spanning 22.3 cM in the corresponding female map. Patterns of gene expression hint at the possible role of sexually antagonistic selection in having favored suppressed recombination. In total, the genome assembly contained 34,105 expressed genes, of which 10,076 were assigned to linkage groups. There was limited evidence of Y-chromosome degeneration in terms of gene loss and pseudogenization, but sequence divergence between the X and Y copies of many sex-linked genes was higher than between M. annua and its dioecious sister species M. huetii with which it shares a sex-determining region. The Mendelian inheritance of sex in interspecific crosses, combined with the other observed pattern, suggest that the M. annua Y chromosome has at least two evolutionary strata: a small old stratum shared with M. huetii , and a more recent larger stratum that is probably unique to M. annua and that stopped recombining about one million years ago. Article summary Plants that evolved separate sexes (dioecy) recently are ideal models for studying the early stages of sex-chromosome evolution. Here, we use karyological, whole genome and transcriptome data to characterize the homomorphic sex chromosomes of the annual dioecious plant Mercurialis annua . Our analysis reveals many typical hallmarks of dioecy and sex-chromosome evolution, including sex-biased gene expression and high X/Y sequence divergence, yet few premature stop codons in Y-linked genes and very little outright gene loss, despite 1/3 of the sex chromosome having ceased recombination in males. Our results confirm that the M. annua species complex is a fertile system for probing early stages in the evolution of sex chromosomes.

Abstract Dioecious plants possess diverse sex determination systems and unique mechanisms of reproductive organ development; however, little is known about how sex-linked genes shape the expression of regulatory cascades that lead to developmental differences between sexes. In Silene latifolia , a dioecious plant with stable dimorphism in floral traits, early experiments suggested that female-regulator genes act on the factors that determine the boundaries of the flower whorls. To identify these regulators, we sequenced the transcriptome of male flowers with fully developed gynoecia induced by rapid demethylation in the parental generation. As the hermaphrodite flower trait is holandric (transmitted only from male to male, inherited on the Y chromosome), we screened for genes that are differentially expressed between male, female, and hermaphrodite flowers. Dozens of candidate genes that are upregulated in hermaphrodite flowers compared to male and female flowers were detected and found to have putative roles in floral organization, affecting the expression of floral MADS-box and other genes. Amongst these genes, eight candidates were found to promote gynoecium formation in female and hermaphrodite flowers, affecting organ size, whorl boundary, and the expression of mainly B class flower genes. To complement our transcriptome analysis, we closely examined the floral organs in their native state using a field emission environmental scanning electron microscope. Our results reveal the principal regulatory pathways involved in sex-specific flower development in the classical model of dioecy, S. latifolia .

Abstract The role of repetitive DNA in the 3D organization of the interphase nucleus in plant cells is a subject of intensive study. High-throughput chromosome conformation capture (Hi-C) is a sequencing-based method detecting the proximity of DNA segments in nuclei. We combined Hi-C data, plant reference genome data and tools for the characterization of genomic repeats to build a Nextflow pipeline identifying and quantifying the contacts of specific repeats revealing the preferential homotypic interactions of ribosomal DNA, DNA transposons and some LTR retrotransposon families. We provide a novel way to analyze the organization of repetitive elements in the 3D nucleus.

This preprint has been reviewed and recommended by Peer Community In Evolutionary Biology (http://dx.doi.org/10.24072/pci.evolbiol.100044). Sex chromosomes have repeatedly evolved from a pair of autosomes. Consequently, X and Y chromosomes initially have similar gene content, but ongoing Y degeneration leads to reduced Y gene expression and eventual Y gene loss. The resulting imbalance in gene expression between Y genes and the rest of the genome is expected to reduce male fitness, especially when protein networks have components from both autosomes and sex chromosomes. A diverse set of dosage compensating mechanisms that alleviates these negative effects has been described in animals. However, the early steps in the evolution of dosage compensation remain unknown and dosage compensation is poorly understood in plants. Here we show a novel dosage compensation mechanism in the evolutionarily young XY sex determination system of the plant Silene latifolia. Genomic imprinting results in higher expression from the maternal X chromosome in both males and females. This compensates for reduced Y expression in males but results in X overexpression in females and may be detrimental. It could represent a transient early stage in the evolution of dosage compensation. Our finding has striking resemblance to the first stage proposed by Ohno for the evolution of X inactivation in mammals.

Abstract In some species, the Y is a tiny chromosome but the dioecious plant Silene latifolia has a giant ∼550 Mb Y chromosome, which has remained unsequenced so far. Here we used a hybrid approach to obtain a high-quality male S. latifolia genome. Using mutants for sexual phenotype, we identified candidate sex-determining genes on the Y. Comparative analysis of the sex chromosomes with outgroups showed the Y is surprisingly rearranged and degenerated for a ∼11 MY-old system. Recombination suppression between X and Y extended in a stepwise process, and triggered a massive accumulation of repeats on the Y, as well as in the non-recombining pericentromeric region of the X, leading to giant sex chromosomes. One-Sentence Summary This work uncovers the structure, function, and evolution of one of the largest giant Y chromosomes, that of the model plant Silene latifolia , which is almost 10 times larger than the human Y, despite similar genome sizes.

Abstract Spatiotemporal control over developmental programs is vital to all organisms. Here we show that cytokinin (signaling) deficiency leads to early secondary cell wall (SCW) formation in Arabidopsis inflorescence stem that associates with precocious upregulation of a SCW transcriptional cascade controlled by NAC TFs (NSTs). We demonstrate that cytokinin signaling through the AHK2/3 and the ARR1/10/12 suppresses the expression of several NSTs and SCW formation in the apical portions of stems. Exogenous cytokinin application reconstituted both proper development and apical-basal gradient of NST1 and NST3 in a cytokinin biosynthesis-deficient mutant. We show that AHK2 and AHK3 required functional NST1 or NST3 to control SCW initiation in the interfascicular fibers, further evidencing that cytokinins act upstream of NST s transcription factors. The premature onset of a rigid SCW biosynthesis and altered expression of NST1/3 and VND6/7 due to cytokinin deficiency led to the formation of smaller tracheary elements (TEs) and impaired hydraulic conductivity. We conclude that cytokinins downregulate NSTs to inhibit premature SCW formation in the apical part of the inflorescence stem, facilitating thus the development of fully functional TEs and interfascicular fibers. Summary statement Cytokinins attenuate premature secondary cell wall (SCW) formation via downregulating the expression of NAC TFs, the master switches of SCW transcriptional cascade, thus affecting the tracheary elements size and conductivity.

Abstract We have attempted to answer the question of whether the presence of sex chromosomes in the genome can affect the evolution of the autosomal part of the genome. As a model, we used dioecious plants from the section Otites of the genus Silene . We have observed a rise in adaptive evolution in the autosomal and pseudoautosomal parts of the genome, which are associated with the evolution of dioecy. This rise is caused neither by the accumulation of sexually antagonistic genes in the pseudoautosomal region nor by the co-evolution of genes acting in mitochondria (in spite of the fact that the dioecy evolved in this case most likely from cytoplasmic male sterility). Thus, this rise in the amount of positively selected codons is most likely caused by the adaptive evolution of genes involved in the specialization of the autosomal part of the genome on the dioecy as described in sex-allocation theory.

Y chromosomes are thought to undergo progressive degeneration due to stepwise loss of recombination and subsequent reduction in selection efficiency. However, the timescales over which degeneration occurs and the evolutionary forces driving degeneration remain unclear. In order to characterize the evolution of sex chromosomes on multiple timescales, we generated a high-quality phased genome assembly of the massive older (7-9 MYA) and neo (<200,000 years) sex chromosomes in the XYY cytotype of the plant Rumex hastatulus, along with a hermaphroditic outgroup Rumex salicifolius. Our assemblies confirmed the neo-sex chromosomes were formed by two key events: an X-autosome fusion and a reciprocal translocation between the homologous autosome and the Y chromosome. The enormous sex-linked regions of the X (296 MB) and the two Y chromosomes (503 MB) both arose in a large repeat-rich genome with low recombination, however the complete loss of recombination on the Y still led to over 30% gene loss and massive rearrangements over a short timescale. In the older sex-linked region, there has been a major increase in the abundance of transposable elements, including into and near genes. In the neo sex-linked regions, we observe evidence of extensive chromosome rearrangements before gene degeneration and loss. Overall, we observe extensive degeneration during the first 10 million years of Y chromosome evolution, but not immediate genomic degeneration on very short timescales. Our results highlight that even when sex chromosomes emerge from repetitive regions of already-low recombination, the complete loss of recombination on the Y chromosome still leads to a substantial increase in repetitive element content and gene degeneration.

Switches in heterogamety occasionally occur both in animals and plants, although plant sex determination systems are mostly more recently evolved than those of animals, and have had less time for switches to occur. However, our previous research revealed a switch in heterogamety in section Otites of the plant genus Silene. Here we analyse in detail the evolution of genetic sex determination in section Otites, which is estimated to have evolved about 0.55 MYA. Our study confirms female heterogamety in S. otites and newly reveals female heterogamety in S. borysthenica. Sequence analyses and genetic mapping show that the sex-linked regions of these two species are the same, but the region in S. colpophylla, a close relative with male heterogamety, is different. The sex chromosome pairs of S. colpophylla and S. otites each correspond to an autosome of the other species, and both differ from the XY pair in S. latifolia, in a different section of the genus. Our phylogenetic analysis suggests a possible change from female to male heterogamety within Silene section Otites, making these species suitable for detailed studies of the events involved.