The Gossypium genus is used to investigate emergent consequences of polyploidy in cotton species; comparative genomic analyses reveal a complex evolutionary history including interactions among subgenomes that result in genetic novelty in elite cottons and provide insight into the evolution of spinnable fibres. A phylogenetic and genomic study of plants of the cotton genus Gossypium provides insights into the role of polyploidy in the angiosperm evolution, and specifically, in the emergence of spinnable fibres in domesticated cottons. The authors show that an abrupt five- to sixfold ploidy increase about 60 million years ago, and allopolyploidy reuniting divergent genomes approximately 1–2 million years ago, conferred a roughly 30-fold duplication of ancestral flowering plant genes in the 'elite' cottons G. hirsutum and G. barbadense compared to their presumed progenitor G. raimondii. Polyploidy often confers emergent properties, such as the higher fibre productivity and quality of tetraploid cottons than diploid cottons bred for the same environments1. Here we show that an abrupt five- to sixfold ploidy increase approximately 60 million years (Myr) ago, and allopolyploidy reuniting divergent Gossypium genomes approximately 1–2 Myr ago2, conferred about 30–36-fold duplication of ancestral angiosperm (flowering plant) genes in elite cottons (Gossypium hirsutum and Gossypium barbadense), genetic complexity equalled only by Brassica3 among sequenced angiosperms. Nascent fibre evolution, before allopolyploidy, is elucidated by comparison of spinnable-fibred Gossypium herbaceum A and non-spinnable Gossypium longicalyx F genomes to one another and the outgroup D genome of non-spinnable Gossypium raimondii. The sequence of a G. hirsutum AtDt (in which ‘t’ indicates tetraploid) cultivar reveals many non-reciprocal DNA exchanges between subgenomes that may have contributed to phenotypic innovation and/or other emergent properties such as ecological adaptation by polyploids. Most DNA-level novelty in G. hirsutum recombines alleles from the D-genome progenitor native to its New World habitat and the Old World A-genome progenitor in which spinnable fibre evolved. Coordinated expression changes in proximal groups of functionally distinct genes, including a nuclear mitochondrial DNA block, may account for clusters of cotton-fibre quantitative trait loci affecting diverse traits. Opportunities abound for dissecting emergent properties of other polyploids, particularly angiosperms, by comparison to diploid progenitors and outgroups.

Summary The plant genome is partitioned across three distinct subcellular compartments: the nucleus, mitochondria, and plastids. Successful coordination of gene expression among these organellar genomes and the nuclear genome is critical for plant function and fitness. Whole genome duplication events (WGDs) in the nucleus have played a major role in the diversification of land plants and are expected to perturb the relative copy number (stoichiometry) of nuclear, mitochondrial, and plastid genomes. Thus, elucidating the mechanisms whereby plant cells respond to the cytonuclear stoichiometric imbalance that follow WGDs represents an important yet underexplored question in understanding the evolutionary consequences of genome doubling. We used droplet digital PCR (ddPCR) to investigate the relationship between nuclear and organellar genome copy numbers in allopolyploids and their diploid progenitors in both wheat and Arabidopsis . Polyploids exhibit elevated organellar genome copy numbers per cell, largely preserving the cytonuclear stoichiometry observed in diploids despite the change in nuclear genome copy number. To investigate the timescale over which cytonuclear stoichiometry may respond to WGD, we also estimated organellar genome copy number in Arabidopsis synthetic autopolyploids and in a haploid-induced diploid line. We observed corresponding changes in organellar genome copy number in these laboratory-generated lines, indicating that at least some of the cellular response to cytonuclear stoichiometric imbalance is immediate following WGD. We conclude that increases in organellar genome copy numbers represent a common response to polyploidization, suggesting that maintenance of cytonuclear stoichiometry is an important component in establishing polyploid lineages. Significance Statement Whole genome duplications (WGD) have the potential to alter the stoichiometric balance between nuclear and organellar genomes. We used two separate diploid-polyploid complexes to show that plant cells with WGD exhibit elevated mitochondrial and plastid genome copy numbers, both immediately in lab-generated lines and in natural polyploids.

ABSTRACT Mitochondrial and plastid functions depend on coordinated expression of proteins encoded by genomic compartments that have radical differences in copy number of organellar and nuclear genomes. In polyploids, doubling of the nuclear genome may add challenges to maintaining balanced expression of proteins involved in cytonuclear interactions. Here, we use ribo-depleted RNA-seq to analyze transcript abundance for nuclear and organellar genomes in leaf tissue from four different polyploid angiosperms and their close diploid relatives. We find that, even though plastid genomes contain <1% of the number of genes in the nuclear genome, they generate the majority (69.9–82.3%) of mRNA transcripts in the cell. Mitochondrial genes are responsible for a much smaller percentage (1.3–3.7%) of the leaf mRNA pool but still produce much higher transcript abundances per gene compared to nuclear genome. Nuclear genes encoding proteins that functionally interact with mitochondrial or plastid gene products exhibit mRNA expression levels that are consistently more than ten-fold lower than their organellar counterparts, indicating an extreme cytonuclear imbalance at the RNA level despite the predominance of equimolar interactions at the protein level. Nevertheless, interacting nuclear and organellar genes show strongly correlated transcript abundances across functional categories, suggesting that the observed mRNA stoichiometric imbalance does not preclude coordination of cytonuclear expression. Finally, we show that nuclear genome doubling does not alter the cytonuclear expression ratios observed in diploid relatives in consistent or systematic ways, indicating that successful polyploid plants are able to compensate for cytonuclear perturbations associated with nuclear genome doubling.

ABSTRACT Whole-genome duplications (WGDs), in which the number of nuclear genome copies is elevated as a result of autopolyploidy or allopolyploidy, are a prominent process of diversification in eukaryotes. The genetic and evolutionary forces that WGD imposes upon cytoplasmic genomes are not well understood, despite the central role that cytonuclear interactions play in eukaryotic function and fitness. Cellular respiration and photosynthesis depend upon successful interaction between the 3000+ nuclear-encoded proteins destined for the mitochondria or plastids and the gene products of cytoplasmic genomes in multi-subunit complexes such as OXPHOS, organellar ribosomes, Photosystems I and II, and Rubisco. Allopolyploids are thus faced with the critical task of coordinating interactions between nuclear and cytoplasmic genes that were inherited from different species. Because cytoplasmic genomes share a more recent history of common descent with the maternal nuclear subgenome than the paternal subgenome, evolutionary “mismatches” between the paternal subgenome and the cytoplasmic genomes in allopolyploids might lead to accelerated rates of evolution in the paternal homoeologs of allopolyploids, either through relaxed purifying selection or strong directional selection to rectify these mismatches. We tested this hypothesis in maternal vs. paternal copies of organelle-targeted genes in six allotetraploids: Brachypodium hybridum , Chenopodium quinoa , Coffea arabica , Gossypium hirsutum , Nicotiana tabacum , and Triticum dicoccoides . We report evidence that allopolyploid subgenomes exhibit unequal rates of protein-sequence evolution, but we did not observe global effects of cytonuclear incompatibilities on paternal homoeologs of organelle-targeted genes. Analyses of gene content revealed mixed evidence for whether organelle-targeted genes re-diploidize more rapidly than non-organelle-targeted genes. Together, these global analyses provide insights into the complex evolutionary dynamics of allopolyploids, showing that allopolyploid subgenomes have separate evolutionary trajectories despite sharing the same nucleus, generation time, and ecological context. AUTHOR SUMMARY Whole genome duplication, in which the size and content of the nuclear genome is instantly doubled, represents one of the most profound forms of mutational change. The consequences of duplication events are equally monumental, especially considering that almost all eukaryotes have undergone whole genome duplications during their evolutionary history. While myriad genetic, cellular, organismal, and ecological effects of whole genome duplications have been extensively documented, relatively little attention has been paid to the diminutive but essential “other” genomes present inside the cell, those of chloroplasts and mitochondria. In this study, we compared the evolutionary patterns of >340,000 genes from 23 species to test whether whole genome duplications are associated with genetic mismatches between the nuclear, mitochondrial, and chloroplast genomes. We discovered tremendous differences between duplicated copies of nuclear genomes; however, mitochondria-nuclear and chloroplast-nuclear mismatches do not appear to be common following whole genome duplications. Together these genomic data represent the most extensive analysis yet performed on how polyploids maintain the delicate and finely tuned balance between the nuclear, mitochondrial, and chloroplast genomes.

Abstract Domestication in the cotton genus is remarkable in that it has occurred independently four different times at two different ploidy levels. Relatively little is known about genome evolution and domestication in the cultivated diploid species Gossypium herbaceum and G. arboreum , because of the absence of wild representatives for the latter species, their ancient domestication, and their joint history of human-mediated dispersal and interspecific gene flow. Using in-depth resequencing of a broad sampling from both species, we confirm their independent domestication, as opposed to a progenitor-derivative relationship, showing that diversity (mean π = 2.3×10 -3 ) within species is similar, and that divergence between species is modest (weighted F ST =0.4430). Individual accessions were homozygous for ancestral SNPs at over half of variable sites, while fixed, derived sites were at modest frequencies. Notably, two chromosomes with a paucity of fixed, derived sites ( i.e ., chromosomes 7 and 10) were also strongly implicated in introgression analyses. Collectively, these data demonstrate variable permeability to introgression among chromosomes, which we propose is due to divergent selection under domestication and/or the phenomenon of F 2 breakdown in interspecific crosses. Our analyses provide insight into the evolutionary forces influencing diversity and divergence in the diploid cultivated species, and establish a foundation for understanding the contribution of introgression and/or strong parallel selection to the extensive morphological similarities shared between species. Significance statement The cotton genus ( Gossypium ) contains four different species that were independently domesticated at least 4,000 years ago. Relatively little is understood about diversity and evolution in the two diploid African-Asian sister-species G. herbaceum and G. arboreum , despite their historical importance in the region and contemporary cultivation, largely in the Indian subcontinent. Here we address questions regarding the relationship between the two species, their contemporary levels of diversity, and their patterns of interspecific gene flow accompanying their several millennia history of human-mediated dispersal and contact. We validate independent domestication of the two species and document the genomic distribution of interspecific genetic exchange.

Abstract We present an improved ddRAD-Seq protocol for identifying single nucleotide polymorphisms (SNPs). It utilizes optimally sized restriction enzyme digestion fragments, quick acting ligases that are neutral with the restriction enzyme buffer eliminating buffer exchange steps, and adapters designed to be compatible with Illumina index primers. Library amplification and barcoding are completed in one PCR step, and magnetic beads are used to purify the genomic fragments from the ligation and library generation steps. Our protocol increases the efficiency and decreases the time to complete a ddRAD-Seq experiment. To demonstrate its utility, we compared SNPs from our protocol with those from whole genome resequencing data from Gossypium herbaceum and Gossypium arboreum . Principal component analysis demonstrated that the variability of the combined data was explained by the genotype (PC1) and methodology applied (PC2). Phylogenetic analysis showed that the SNPs from our method clustered with SNPs from the resequencing data of the corresponding genotype. Sequence alignments illustrated that for homozygous loci, more than 90% of the SNPs from the resequencing data were discovered by our method. Our analyses suggest that our ddRAD-Seq method is reliable in identifying SNPs suitable for phylogenetic and association genetic studies while reducing cost and time over known methods.

Abstract Labeo rohita (rohu) is a carp important to aquaculture in South Asia, with a production volume close to Atlantic salmon. While genetic improvements to rohu are ongoing, the genomic methods commonly used in other aquaculture improvement programs have historically been precluded in rohu, partially due to the lack of a high quality reference genome. Here we present a high-quality de novo genome produced using a combination of next-generation sequencing technologies, resulting in a 946 Mb genome consisting of 25 chromosomes and 2,844 unplaced scaffolds. Notably, while approximately half the size of the existing genome sequence, our genome represents 97.9% of the genome size newly estimated here using flow cytometry. Sequencing from 120 individuals was used in conjunction with this genome to predict the population structure, diversity, and divergence in three major rivers (Jamuna, Padma, and Halda), in addition to infer a likely sex determination mechanism in rohu. These results demonstrate the utility of the new rohu genome in modernizing some aspects of rohu genetic improvement programs.

Labeo rohita (rohu) is a carp important to aquaculture in South Asia, with a production volume close to Atlantic salmon. While genetic improvements to rohu are ongoing, the genomic methods commonly used in other aquaculture improvement programs have historically been precluded in rohu, partially due to the lack of a high-quality reference genome. Here we present a high-quality de novo genome produced using a combination of next-generation sequencing technologies, resulting in a 946 Mb genome consisting of 25 chromosomes and 2,844 unplaced scaffolds. Notably, while approximately half the size of the existing genome sequence, our genome represents 97.9% of the genome size newly estimated here using flow cytometry. Sequencing from 120 individuals was used in conjunction with this genome to predict the population structure, diversity, and divergence in three major rivers (Jamuna, Padma, and Halda), in addition to infer a likely sex determination mechism in rohu. These results demonstrate the utility of the new rohu genome in modernizing some aspects of rohu genetic improvement programs.

Abstract Cytonuclear coevolution is a common feature among plants, which coordinates gene expression and protein products between the nucleus and organelles. Consequently, lineage-specific differences may result in incompatibilities between the nucleus and cytoplasm in hybrid taxa. Allopolyploidy is also a common phenomenon in plant evolution. The hybrid nature of allopolyploids may result in cytonuclear incompatibilities, but the massive nuclear redundancy created during polyploidy affords additional avenues for resolving cytonuclear conflict ( i.e., cytonuclear accommodation). Here we evaluate expression changes in organelle-targeted nuclear genes for six allopolyploid lineages that represent four genera ( i.e., Arabidopsis, Arachis, Chenopodium , and Gossypium ) and encompass a range in polyploid ages. Because incompatibilities between the nucleus and cytoplasm could potentially result in biases toward the maternal homoeolog and/or maternal expression level, we evaluate patterns of homoeolog usage, expression bias, and expression level dominance in cytonuclear genes relative to the background of non-cytonuclear expression changes and to the diploid parents. Although we find subsets of cytonuclear genes in most lineages that match our expectations of maternal preference, these observations are not consistent among either allopolyploids or categories of organelle-targeted genes. Our results indicate that cytonuclear expression accommodation may be a subtle and/or variable phenomenon that does not capture the full range of mechanisms by which allopolyploid plants resolve nuclear-cytoplasmic incompatibilities.

Abstract Cotton is an important textile crop whose gains in production over the last century have been challenged by various diseases. Because many modern cultivars are susceptible to several pests and pathogens, breeding efforts have included attempts to introgress wild, naturally resistant germplasm into elite lines. Gossypium stocksii is a wild cotton species native to Africa, which is part of a clade of vastly understudied species. Most of what is known about this species comes from pest resistance surveys and/or breeding efforts, which suggests that G. stocksii could be a valuable reservoir of natural pest resistance. Here we present a high-quality de novo genome sequence for G. stocksii . We compare the G. stocksii genome with resequencing data from a closely related, understudied species ( G. somalense ) to generate insight into the relatedness of these cotton species. Finally, we discuss the utility of the G. stocksii genome for understanding pest resistance in cotton, particularly resistance to cotton leaf curl virus.