ABSTRACT Artificial selection has produced varieties of domesticated maize which thrive in temperate climates around the world. However, the direct progenitor of maize, teosinte, is indigenous only to a relatively small range of tropical and sub-tropical latitudes and grows poorly or not at all outside of this region. Tripsacum , a sister genus to maize and teosinte, is naturally endemic to the majority of areas in the western hemisphere where maize is cultivated. A full-length reference transcriptome for Tripsacum dactyloides generated using long-read isoseq data was used to characterize independent adaptation to temperate climates in this clade. Genes related to phospholipid biosynthesis, a critical component of cold acclimation on other cold adapted plant lineages, were enriched among those genes experiencing more rapid rates of protein sequence evolution in T. dactyloides . In contrast with previous studies of parallel selection, we find that there is a significant overlap between the genes which were targets of artificial selection during the adaptation of maize to temperate climates and those which were targets of natural selection in temperate adapted T. dactyloides . This overlap between the targets of natural and artificial selection suggests genetic changes in crop-wild relatives associated with adaptation to new environments may be useful guides for identifying genetic targets for breeding efforts aimed at adapting crops to a changing climate.

Abstract Large chromosomal inversion polymorphisms are ubiquitous across the diversity of diploid organisms and play a large role in the evolution of adaptations in those species. Despite their importance, the underlying mechanisms by which inversions produce their adaptive phenotypic effects and become geographically widespread are still poorly understood. One way inversions could cause phenotypic effects is through meiotic recombination suppression, which can result in the formation of a supergene containing linked adaptive alleles. This supergene hypothesis has been promoted by theoreticians, but thus far, no studies have definitively identified multiple linked adaptive genes within an inversion. Alternatively, according to the breakpoint mutation hypothesis, the inversion mutation itself could result in adaptive phenotypic effects if it disrupts genes or alters regulation of nearby genes. Here, we evaluate both of these hypotheses using new long-read sequencing-based genomes of the yellow monkey flower, Mimulus guttatus . Our results provide support for both the supergene and breakpoint mutation hypotheses of adaptive inversion evolution and suggest that functional molecular studies will be required to definitively test each of these hypotheses. We also identified an ancient large inversion nested within a well-established adaptive inversion. This finding suggests that the supergene mechanism may occur in phases, with an expansion of the region of suppressed recombination capturing an increasing number of adaptive loci over time. Significance statement Large regions of chromosomes can become reversed in orientation due to mutations known as inversions. These inversions are often involved in the evolution of major organismal adaptations, yet we know little about this process. In this study, we show that the evolution of a large adaptive inversion in monkeyflowers could be due to both the trapping of beneficial genes into a supergene as well as changes in gene expression due to the inversion mutation itself. Further, we found that this inversion has trapped an even older inversion, which may itself have been adaptive. Thus, adaptive inversions on autosomes may evolve in sequence, much the same way that sex chromosomes evolve.

ABSTRACT Gene duplication is a source of evolutionary novelty. DNA methylation may play a role in the evolution of duplicate genes through its association with gene expression. While this relationship is examined to varying extent in a few individual species, the generalizability of these results at either a broad phylogenetic scale with species of differing duplication histories or across a population, remains unknown. We apply a comparative epigenomics approach to 43 angiosperm species across the phylogeny and a population of 928 Arabidopsis thaliana accessions, examining the association of DNA methylation with paralog evolution. Genic DNA methylation is differentially associated with duplication type, the age of duplication, sequence evolution, and gene expression. Whole genome duplicates are typically enriched for CG-only gene-body methylated or unmethylated genes, while single-gene duplications are typically enriched for non-CG methylated or unmethylated genes. Non-CG methylation, in particular, was characteristic of more recent single-gene duplicates. Core angiosperm gene families are differentiated into those which preferentially retain paralogs and ‘duplication-resistant’ families, which convergently revert to singletons following duplication. Duplication-resistant families which still have paralogous copies are, uncharacteristically for core angiosperm genes, enriched for non-CG methylation. Non-CG methylated paralogs have higher rates of sequence evolution, higher frequency of presence-absence variation, and more limited expression. This suggests that silencing by non-CG methylation may be important to maintaining dosage following duplication and be a precursor to fractionation. Our results indicate that genic methylation marks differing evolutionary trajectories and fates between paralogous genes and have a role in maintaining dosage following duplication.

ABSTRACT Premise of study Leaf morphology is dynamic, continuously deforming during leaf expansion and among leaves within a shoot. We measured leaf morphology from over 200 vines over four years, and modeled changes in leaf shape along the shoot to determine if a composite “shape of shapes” can better capture variation and predict species identity compared to individual leaves. Methods Using homologous universal landmarks found in grapevine leaves, we modeled various morphological features as a polynomial function of leaf node. The resulting functions are used to reconstruct modeled leaf shapes across shoots, generating composite leaves that comprehensively capture the spectrum of possible leaf morphologies. Results We found that composite leaves are better predictors of species identity than individual leaves from the same plant. We were able to use composite leaves to predict species identity of previously unassigned vines, which were verified with genotyping. Discussion Observations of individual leaf shape fail to capture the true diversity between species. Composite leaf shape—an assemblage of modeled leaf snapshots across the shoot—is a better representation of the dynamic and essential shapes of leaves, as well as serving as a better predictor of species identity than individual leaves.

Dynamic transcriptional and epigenetic changes enable rapid adaptive benefit to environmental fluctuations. However, the underlying mechanisms and the extent to which this occurs are not well known. MutS Homolog 1 (MSH1) mutants cause heritable developmental phenotypes accompanied by modulation of defense, phytohormone, stress-response and circadian rhythm genes, as well as heritable changes in DNA methylation patterns. Consistent with gene expression changes, msh1 mutants display enhanced tolerance for abiotic stress including drought and salt stress, while showing increased susceptibility to freezing temperatures and bacterial pathogen P syringae. Our results suggest that chronic cold and low light stress (10 ℃, 150 μE) influences non-CG methylation to a greater degree in msh1 mutants compared to wild type Col-0. Furthermore, CHG changes are more closely pericentromeric, whereas CHH changes are generally more dispersed. This increased variation in non-CG methylation pattern does not significantly affect the msh1-derived enhanced growth behavior after mutants are crossed with isogenic wild type, reiterating the importance of CG methylation changes in msh1-derived enhanced vigor. These results indicate that msh1methylome is hyper-responsive to environmental stress in a manner distinct from the wild type response, but CG methylation changes are potentially responsible for growth vigor changes in the crossed progeny.

The grass tribe Paniceae includes a monophyletic subclade of species, the MPC clade, which specialize in each of the three primary C4 sub-pathways NADP-ME, NAD-ME and PCK. The evolutionary history of C4 photosynthesis in this subclade remains ambiguous. Leveraging newly sequenced grass genomes and syntenic orthology data, we estimated rates of protein sequence evolution on ancestral branches for both core enzymes shared across different C4 sub-pathways and enzymes specific to C4 sub-pathways. While core enzymes show elevated rates of protein sequence evolution in ancestral branches consistent with a transition from C3 to C4 photosynthesis in the ancestor for this clade, no subtype specific enzymes showed similar patterns. At least one protein involved in photorespiration also showed elevated rates of protein sequence evolution in the ancestral branch. The set of core C4 enzymes examined here combined with the photorespiratory pathway are necessary for the C2 photosynthetic cycle, a previously proposed intermediate between C3 and C4 photosynthesis. The patterns reported here are consistent with, but not conclusive proof that, C4 photosynthesis in the MPC clade of the Paniceae evolved via a C2 intermediate.

ABSTRACT Chilling stress threatens plant growth and development, particularly affecting membrane fluidity and cellular integrity. Understanding plant membrane responses to chilling stress is important for unraveling the molecular mechanisms of stress tolerance. Whereas core transcriptional responses to chilling stress and stress tolerance are conserved across species, the associated changes in membrane lipids appear to be less conserved, as which lipids are affected by chilling stress varies by species. Here, we investigated changes in gene expression and membrane lipids in response to chilling stress during one diurnal cycle in sorghum ( Sorghum bicolor ), Urochloa (browntop signal grass, Urochloa fusca ) (lipids only), and foxtail millet ( Setaria italica ), leveraging their evolutionary relatedness and differing levels of chilling-stress tolerance. We show that most chilling-induced lipid changes are conserved across the three species, while we observed distinct, time-specific responses in chilling-tolerant foxtail millet, indicating the presence of a finely orchestrated adaptive mechanism. We detected diurnal rhythmicity in lipid responses to chilling stress in the three grasses, which were also present in Arabidopsis ( Arabidopsis thaliana ), suggesting the conservation of rhythmic patterns across species and highlighting the importance of accounting for diurnal effects. When integrating lipid datasets with gene expression profiles, we identified potential candidate genes that showed corresponding transcriptional changes in response to chilling stress, providing insights into the differences in regulatory mechanisms between chilling-sensitive sorghum and chilling-tolerant foxtail millet. Significance Statement Plants respond to low-temperature stress in myriad ways. While core transcriptional changes are conserved across species, specific adaptive strategies do exist. However, membrane lipid responses during chilling do not appear to be conserved. Here, we collected samples from control and chilling stress–treated seedlings [PSC4] to assess gene expression and membrane lipids in three panicoid grasses to show that lipid metabolic changes follow a daily rhythm. Lipid changes in chilling-tolerant foxtail millet occurred at specific time points, partly explaining the difficulty in finding conserved chilling-induced lipid changes in previous reports. We identified specific orthologs in sorghum and foxtail millet that showed a correlation between gene expression and lipid metabolic changes; these orthologs may be used as potential target genes for developing chilling-tolerant sorghum varieties.

Epigenetic variation has been associated with a wide range of adaptive phenotypes in plants, but there exist few direct means for exploiting this variation. RNAi suppression of the plant-specific gene, MutS HOMOLOG1 (MSH1), in multiple plant species produces a range of developmental changes accompanied by modulation of defense, phytohormone, and abiotic stress response pathways. This msh1-conditioned developmental reprogramming is retained independent of transgene segregation, giving rise to transgene-null memory effects. An isogenic memory line crossed to wild type produces progeny families displaying increased variation in adaptive traits that respond to selection. This study investigates amenability of the MSH1 system for inducing epigenetic variation in soybean that may be of value agronomically. We developed epi-line populations by crossing with msh1-acquired soybean memory lines. Derived soybean epi-lines showed increase in variance for multiple yield-related traits including pods per plant, seed weight, and maturity time in both greenhouse and field trials. Selected epi-F2:4 and epi-F2:5 lines showed an increase in seed yield over wild type. By epi-F2:6, we observed a return of MSH1-derived enhanced growth back to wild type levels. Epi-populations also showed evidence of reduced epitype-by-environment (e x E) interaction, indicating higher yield stability. Transcript profiling of the soybean epi-lines identified putative signatures of enhanced growth behavior across generations. Genes related to cell cycle, abscisic acid biosynthesis, and auxin-response, particularly SMALL AUXIN UP RNAs (SAURs), were differentially expressed in epi-F2:4 lines that showed increased yield when compared to epi-F2:6. These data support the potential of MSH1-derived epigenetic variation in plant breeding for enhanced yield and yield stability.

Abstract Desiccation tolerance has evolved recurrently in grasses using two unique strategies to mitigate photooxidative damage under anhydrobiosis. The grass Oropetium thomaeum protects and retains chlorophyll, thylakoids, and the photosynthetic apparatus during desiccation (Homoiochlorophyly), while Eragrostis nindensis degrades and resynthesizes these components under desiccation and rehydration (Poikilochlorophyly). Here, we surveyed chromatin architecture and gene expression during desiccation in these two closely related species to identify regulatory dynamics underlying the distinct desiccation tolerance strategies in grasses. In both grasses, we observed a strong association between nearby chromatin accessibility and gene expression in desiccated tissues compared to well-watered, reflecting an unusual chromatin stability under anhydrobiosis. Integration of chromatin accessibility (ATACseq) and expression data (RNAseq) revealed a core desiccation response across these two grasses including many genes with binding sites for the core seed development transcription factor ABI5. O. thomaeum had a unique set of desiccation induced genes and regulatory elements associated with photoprotection, pigment biosynthesis, and response to high light, reflecting its adaptation of homoiochlorophyly. A tandem array of early light induced proteins (ELIPs) had massive shifts in gene expression and chromatin openness under desiccation in only O. thomaeum , and ELIPs acquired a novel desiccation related cis-regulatory motif, reflecting regulatory neofunctionalization during the evolution of desiccation tolerance. Together, our results highlight the complex regulatory and expression dynamics underlying desiccation tolerance in grasses.

ABSTRACT Premise of Study Development is relatively understudied in woody vines, such as grapevine ( Vitis vinifera ). We used the Witch’s Broom bud sport in grapevine to understand the developmental trajectories of the bud sports, as well as the potential genetic basis of the bud sport. Methods We phenotyped shoots, buds, and leaves of two independent cases of the Witch’s Broom bud sport, in the Dakapo and Merlot varieties of grapevine, alongside wild-type counterparts of the same variety. We also performed Illumina and Oxford Nanopore sequencing on the two independent cases and two wild-type counterparts of the same variety. Key Results The Dakapo and Merlot cases of Witch’s Broom displayed severe developmental defects, with no fruit/clusters formed and dwarf vegetative features. However, the Dakapo and Merlot cases of Witch’s Broom studied were also phenotypically different from one another, with distinct differences in bud and leaf development. We were able to identify unique genetic mutations in our two Witch’s Broom cases that are strong candidates for the genetic basis of the bud sports. Conclusions The Witch’s Broom bud sport in grapevine serves as a useful natural mutant in which to study grapevine development. The Witch’s Broom bud sports in both varieties studied had dwarf phenotypes, but the two instances studied were also vastly different from one another. Future work on Witch’s Broom bud sports in grapevine could provide more insight into development and the genetic pathways involved in grapevine.