Cut-and-paste DNA transposable elements are major components of eukaryotic genomes and are grouped into superfamilies (e.g., hAT , P ) based on sequence similarity of the element-encoded transposase. The transposases from several superfamilies possess a protein domain containing an acidic amino acid triad (DDE or DDD) that catalyzes the “cut and paste” transposition reaction. However, it was unclear whether this domain was shared by the transposases from all superfamilies. Through multiple-alignment of transposase sequences from a diverse collection of previously identified and recently annotated elements from a wide range of organisms, we identified the putative DDE/D triad for all superfamilies. Furthermore, we identified additional highly conserved amino acid residues or motifs within the DDE/D domain that together form a “signature string” that is specific to each superfamily. These conserved residues or motifs were exploited as phylogenetic characters to infer evolutionary relationships among all superfamilies. The phylogenetic analysis revealed three major groups that were not previously discerned and led us to revise the classification of several currently recognized superfamilies. Taking the data together, this study suggests that all eukaryotic cut-and-paste transposable element superfamilies have a common evolutionary origin and establishes a phylogenetic framework for all future cut-and-paste transposase comparisons.

Recent studies have shown that one of the parental subgenomes in ancient polyploids is generally more dominant, having retained more genes and being more highly expressed, a phenomenon termed subgenome dominance. The genomic features that determine how quickly and which subgenome dominates within a newly formed polyploid remain poorly understood. To investigate the rate of emergence of subgenome dominance, we examined gene expression, gene methylation, and transposable element (TE) methylation in a natural, <140-year-old allopolyploid (Mimulus peregrinus), a resynthesized interspecies triploid hybrid (M. robertsii), a resynthesized allopolyploid (M. peregrinus), and progenitor species (M. guttatus and M. luteus). We show that subgenome expression dominance occurs instantly following the hybridization of divergent genomes and significantly increases over generations. Additionally, CHH methylation levels are reduced in regions near genes and within TEs in the first-generation hybrid, intermediate in the resynthesized allopolyploid, and are repatterned differently between the dominant and recessive subgenomes in the natural allopolyploid. Subgenome differences in levels of TE methylation mirror the increase in expression bias observed over the generations following hybridization. These findings provide important insights into genomic and epigenomic shock that occurs following hybridization and polyploid events and may also contribute to uncovering the mechanistic basis of heterosis and subgenome dominance.

Significance This work characterizes variation in recombination across the genome of a flowering plant in detail using unique population genomic and computational approaches. The resulting recombination map approaches nucleotide-level resolution and advances our understanding of basic properties of recombination, notably the findings of enhanced recombination near starts of genes, varying degrees of intensities of “hotspots,” higher activity in exons than introns, and that a large fraction of the genome appears devoid of any recombination activity.

Abstract Inferences about past processes of adaptation and speciation require a gene-scale and genome-wide understanding of the evolutionary history of diverging taxa. In this study, we use genome-wide capture of nuclear gene sequences, plus skimming of organellar sequences, to investigate the phylogenomics of monkeyflowers in Mimulus section Erythranthe (27 accessions from seven species ) . Taxa within Erythranthe , particularly the parapatric and putatively sister species M. lewisii (bee-pollinated) and M. cardinalis (hummingbird-pollinated), have been a model system for investigating the ecological genetics of speciation and adaptation for over five decades. Across >8000 nuclear loci, multiple methods resolve a predominant species tree in which M. cardinalis groups with other hummingbird-pollinated taxa (37% of gene trees), rather than being sister to M. lewisii (32% of gene trees). We independently corroborate a single evolution of hummingbird pollination syndrome in Erythranthe by demonstrating functional redundancy in genetic complementation tests of floral traits in hybrids; together, these analyses overturn a textbook case of pollination-syndrome convergence. Strong asymmetries in allele-sharing (Patterson’s D-statistic and related tests) indicate that gene-tree discordance reflects ancient and recent introgression rather than incomplete lineage sorting. Consistent with abundant introgression blurring the history of divergence, low-recombination and adaptation-associated regions support the new species tree, while high-recombination regions generate phylogenetic evidence for sister status for M. lewisii and M. cardinalis . Population-level sampling of core taxa also revealed two instances of chloroplast capture, with Sierran M. lewisii and Southern Californian M. parishii each carrying organelle genomes nested within respective sympatric M. cardinalis clades. A recent organellar transfer from M. cardinalis , an outcrosser where selfish cytonuclear dynamics are more likely, may account for the unexpected cytoplasmic male sterility effects of selfer M. parishii organelles in hybrids with M. lewisii . Overall, our phylogenomic results reveal extensive reticulation throughout the evolutionary history of a classic monkeyflower radiation, suggesting that natural selection (re-)assembles and maintains species-diagnostic traits and barriers in the face of gene flow. Our findings further underline the challenges, even in reproductively isolated species, in distinguishing re-use of adaptive alleles from true convergence and emphasize the value of a phylogenomic framework for reconstructing the evolutionary genetics of adaptation and speciation. Author Summary Adaptive radiations, which involve both divergent evolution of new traits and recurrent trait evolution, provide insight into the processes that generate and maintain organismal diversity. However, rapid radiations also generate particular challenges for inferring the evolutionary history and mechanistic basis of adaptation and speciation, as multiple processes can cause different parts of the genome to have distinct phylogenetic trees. Thus, inferences about the mode and timing of divergence and the causes of parallel trait evolution require a fine-grained understanding of the flow of genomic variation through time. In this study, we used genome-wide sampling of thousands of genes to re-construct the evolutionary histories of a model plant radiation, the monkeyflowers of Mimulus section Erythranthe . Work over the past half-century has established the parapatric and putatively sister species M. lewisii (bee-pollinated) and M. cardinalis (hummingbird-pollinated, as are three other species in the section) as textbook examples of both rapid speciation via shifts in pollination syndrome and convergent evolution of floral syndromes. Our phylogenomic analyses re-write both of these stories, placing M. cardinalis in a clade with other hummingbird-pollinated taxa and demonstrating that abundant introgression between ancestral lineages as well as in areas of current sympatry contributes to the real (but misleading) affinities between M. cardinalis and M. lewisii . This work illustrates the pervasive influence of gene flow and introgression during adaptive radiation and speciation, and underlines the necessity of a gene-scale and genome-wide phylogenomics framework for understanding trait divergence, even among well-established species.

Abstract The evolution of genomic incompatibilities causing postzygotic barriers to hybridization is a key step in species divergence. Incompatibilities take two general forms – structural divergence between chromosomes leading to severe hybrid sterility in F 1 hybrids and epistatic interactions between genes causing reduced fitness of hybrid gametes or zygotes (Dobzhansky-Muller incompatibilities). Despite substantial recent progress in understanding the molecular mechanisms and evolutionary origins of both types of incompatibility, how each behaves across multiple generations of hybridization remains relatively unexplored. Here, we use genetic mapping in F 2 and RIL hybrid populations between the phenotypically divergent but naturally hybridizing monkeyflowers Mimulus cardinalis and M. parishii to characterize the genetic basis of hybrid incompatibility and examine its changing effects over multiple generations of experimental hybridization. In F 2 s, we found severe hybrid pollen inviability (< 50% reduction vs. parental genotypes) and pseudolinkage caused by a reciprocal translocation between Chromosomes 6 and 7 in the parental species. RILs retained excess heterozygosity around the translocation breakpoints, which caused substantial pollen inviability when interstitial crossovers had not created compatible heterokaryotypic configurations. Strong transmission ratio distortion and inter-chromosomal linkage disequilibrium in both F 2 s and RILs identified a novel two-locus genic incompatibility causing sex-independent gametophytic (haploid) lethality. The latter interaction eliminated three of the expected nine F 2 genotypic classes via F 1 gamete loss without detectable effects on the pollen number or viability of F 2 double heterozygotes. Along with the mapping of numerous milder incompatibilities, these key findings illuminate the complex genetics of plant hybrid breakdown and are an important step toward understanding the genomic consequences of natural hybridization in this model system.

ABSTRACT Hybridization generates inter-genomic interactions, which may result in unique traits not seen in either parent species. Here we explore the genetic basis of both carotenoid and anthocyanin floral pigmentation in hybrids between monkeyflower species Mimulus cupreus and M. luteus var. variegatus. Mimulus cupreus has abundant yellow carotenoid pigmentation in its petal lobes, while M. l. variegatus has a derived reduction in carotenoid intensity. Thus, as expected, carotenoid intensity segregates in an F2 hybrid population. More surprisingly, both species appear to have petal lobes solidly and identically covered in magenta anthocyanin pigment (which, when overlaid on the bright yellow carotenoid background, leads to an orange color in M. cupreus ), yet F1 and F2 hybrids exhibit novel and complex spatial patterns of anthocyanin spotting. A rare yellow morph of M. cupreus , which lacks petal anthocyanins, also generates spatially patterned offspring when hybridized with M. l. variegatus . We use this cross, together with newly developed high-quality genome assembly of M. l. luteus and image analysis tools, to investigate the genetic architecture of color and pattern variation in an F2 hybrid population. We report a single QTL, containing the Beta-carotene hydroxylase ( BCH ) gene, associated with the non-patterned carotenoid reduction in M. l. variegatus . HPLC shows that relative beta-carotene abundance differs between dark yellow and light yellow petals, supporting a causal role for BCH . The presence versus absence of petal lobe anthocyanin segregates in a 3:1 ratio, and we report (as expected) an associated QTL encompassing the anthocyanin activator MYB5a/NEGAN which has previously been shown to be both necessary and sufficient to activate petal lobe anthocyanins in M. l. variegatus . Anthocyanin patterning was more complex, with seven QTLs associated with five quantitative patterning traits on the upper petals; 11 on the lower petals; and three qualitative whole-flower patterning traits. Although power was too limited to effectively test for epistatic interactions in this cross, the QTLs provide candidate genomic regions for further investigating the molecular mechanisms of spatially complex floral color patterning, and multiple candidate genes are identified including anthocyanin activators and an anthocyanin repressor.

The emergence of novel traits is often preceded by a potentiation phase, when all the genetic components necessary for producing the trait are assembled. However, elucidating these potentiating factors is challenging. We have previously shown that an anthocyanin-activating R2R3-MYB, STRIPY, triggers the emergence of a distinct foliar pigmentation pattern in the monkeyflower Mimulus verbenaceus. Here, using forward and reverse genetics approaches, we identify three potentiating factors that pattern STRIPY expression: MvHY5, a master regulator of light signaling that activates STRIPY and is expressed throughout the leaf, and two leaf developmental regulators, MvALOG1 and MvTCP5, that are expressed in opposing gradients along the leaf proximodistal axis and negatively regulate STRIPY. These results provide strong empirical evidence that phenotypic novelties can be potentiated through incorporation into preexisting genetic regulatory networks and highlight the importance of positional information in patterning the novel foliar stripe.

SUMMARY Pollination syndromes are a key component of flowering plant diversification, prompting questions about the architecture of single traits and genetic coordination among traits. Here, we investigate the genomic basis of extreme floral divergence between naturally hybridizing monkeyflowers Mimulus parishii (self-pollinated) and M. cardinalis (hummingbird-pollinated). We mapped quantitative trait loci (QTLs) for 18 (nine fully shared) pigment, pollinator reward and handling, dimensional, and flowering time traits in two F 2 hybrid growouts and recombinant inbred lines. We independently generated nearly isogenic lines (NILs) to dissect QTLs for two dimensional traits, pistil length and corolla size. Our multi-population approach revealed a highly polygenic basis (n = 190 QTLs total) for pollination syndrome divergence. For the set of nine fully shared traits, 39% (55/140) were unique to a single population, but we also identified several QTL hotspots within and across trait categories. The complementary NIL approach refined two pistil length QTLs but selected a corolla size QTL resistant to genetic dissection. Divergence between hummingbird- and self-pollinated sister species has a highly polygenic and largely uncoordinated genetic architecture. Our results extend understanding of speciation in a classic floral radiation and provide a robust framework for further molecular dissection and ecological genomics.

The incredible diversity of floral color and pattern in nature is largely determined by the transcriptional regulation of anthocyanin and carotenoid biosynthetic genes. While the transcriptional control of anthocyanin biosynthesis is well understood, little is known about the factors regulating the carotenoid biosynthetic pathway in flowers. Here, we characterize the Reduced Carotenoid Pigmentation 2 (RCP2) locus from two monkeyflower (Mimulus) species, the bumblebee-pollinated M. lewisii and hummingbird-pollinated M. verbenaceus. We show that loss-of-function mutations of RCP2 cause drastic down-regulation of the entire carotenoid biosynthetic pathway in these species. Through bulk segregant analysis and transgenic experiments, we have identified the causal gene underlying RCP2, encoding a tetratricopeptide repeat (TPR) protein that is closely related to the Arabidopsis Reduced Chloroplast Coverage (REC) proteins. RCP2 appears to regulate carotenoid biosynthesis independently of RCP1, a previously identified R2R3-MYB master regulator of carotenoid biosynthesis. We show that RCP2 is required for chromoplast development and suggest that it most likely regulates the expression of carotenoid biosynthetic genes through chromoplast-to-nucleus retrograde signaling. Furthermore, we demonstrate that M. verbenaceus is just as amenable to chemical mutagenesis and in planta transformation as the more extensively studied M. lewisii, making these two species an excellent platform for comparative developmental genetics studies of two closely related species with dramatic phenotypic divergence.

Enhancing the transcriptional activation activity of transcription factors (TFs) has multiple applications in organism improvement, metabolic engineering, and other aspects of plant science, but the approaches remain unclear. Here, we used gene activation assays and genetic transformation to investigate the transcriptional activities of two MYB TFs, PRODUCTION OF ANTHOCYANIN PIGMENT 1 (AtPAP1) from Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) and EsMYBA1 from Epimedium (Epimedium sagittatum), and their synthetic variants in a range of plant species from several families. Using anthocyanin biosynthesis as a convenient readout, we discovered that homologous naturally occurring TFs showed differences in the transcriptional activation ability and that similar TFs induced large changes in the genetic program when heterologously expressed in different species. In some cases, shuffling the DNA binding domains and transcriptional activation domains (ADs) between homologous TFs led to synthetic TFs that had stronger activation potency than the original TFs. More importantly, synthetic TFs derived from MYB, NAC, bHLH, and Ethylene-insensitive3-like (EIL) family members containing tandemly repeated ADs had greatly enhanced activity compared to their natural counterparts. These findings enhance our understanding of TF activity and demonstrate that employing tandemly repeated ADs from natural TFs is a simple and widely applicable strategy to enhance the activation potency of synthetic TFs.