Abstract Polyploidization, or whole genome duplication, is one of the major mechanisms of plant speciation. Allopolyploids (species that harbor polyploid genomes originating from hybridization of different diploid species) have been hypothesized to occupy a niche with intermediate, broader, or fluctuating environmental conditions compared with parental diploids. It remains unclear whether empirical data support this hypothesis and whether specialization of expression patterns of the homeologs (paralogous gene copies resulting from allopolyploidization) relates to habitat environments. Here, we studied the ecology and transcriptomics of a wild allopolyploid Cardamine flexuosa and its diploid parents C. hirsuta and C. amara at a fine geographical scale in their native area in Switzerland. We found that the diploid parents favored opposite extremes in terms of soil moisture, soil carbon-to-nitrogen ratios, and light availability. The habitat of the allopolyploid C. flexuosa was broader compared with those of its parental species and overlapped with those of the parents, but not at its extremes. In C. flexuosa , the genes related to water availability were overrepresented among those at both the expression level and the expression ratio of homeolog pairs, which varied among habitat environments. These findings provide empirical evidence for niche differentiation between an allopolyploid and its diploid parents at a fine scale, where both ecological and transcriptomic data indicated water availability to be the key environmental factor for niche differentiation. Significance statement Polyploidization, or whole genome duplication, is common in plants and may contribute to their ecological diversification. However, little is known about the niche differentiation of wild allopolyploids relative to their diploid parents and the gene expression patterns that may underlie such ecological divergence. We detected niche differentiation between the allopolyploid Cardamine flexuosa and its diploid parents C. amara and C. hirsuta along water availability gradient at a fine scale. The ecological differentiation was mirrored by the dynamic control of water availability-related gene expression patterns according to habitat environments. Thus, both ecological and transcriptomic data revealed niche differentiation between an allopolyploid species and its diploid parents.

Abstract Plants sense and respond to environmental cues during 24 h fluctuations in their environment. This requires the integration of internal cues such as circadian timing with environmental cues such as light and temperature to elicit cellular responses through signal transduction. The integration and transduction of circadian and environmental signals within plants growing in natural environments remain poorly understood. To gain insights into the 24 h dynamics of environmental signalling in nature, we performed a field study of cell signalling in a natural population of Arabidopsis halleri . As a representative model signalling pathway, we exploited the transduction of circadian and environmental signals from the nucleus to chloroplasts, by a sigma factor, to study diel cycles of environmental signalling under natural conditions. Using dynamic linear models to interpret the data, we identified that circadian regulation and temperature are key regulators of this pathway under natural conditions. We identified potential time-delay steps between pathway components, and diel fluctuations in the response of the pathway to temperature cues that are reminiscent of the process of circadian gating. This approach allowed us to identify dynamic integration and transduction of environmental cues, in the cells of plants, under naturally fluctuating diel cycles.

Organisms survive in naturally fluctuating environments by responding to long-term signals, such as seasonality, by filtering out short-term noise. DNA methylation has been considered a stable epigenetic mark but has also been reported to change in response to experimental manipulations of biotic and abiotic factors. However, it is unclear how they behave in natural environments. Here, we analyzed seasonal patterns of genome-wide DNA methylation at a single-base resolution using a single clone from a natural population of the perennial Arabidopsis halleri. The genome-wide pattern of DNA methylation was primarily stable, and most of the repetitive regions were methylated across the year. Although the proportion was small, we detected seasonally methylated cytosines (SeMCs) in the genome. SeMCs in the different contexts showed distinct seasonal patterns of methylation. SeMCs in CHH context were detected predominantly at repetitive sequences in intergenic regions. Additionally, we found that CHH methylation within AhgFLC locus showed a seasonal pattern that was negatively associated with changes in gene expression. Gene-body CG methylation (gbM) itself was generally stable across seasons, but the levels of gbM were positively associated with seasonal stability of RNA expression of the genes. These results suggest the existence of two distinct aspects of DNA methylation in natural environments: sources of epigenetic variation and epigenetic marks for stable gene expression.

Abstract Widespread plant species are faced with various climatic gradients and undergo clinal differentiation. Alien species which have been introduced repeatedly can be used to investigate the parallel processes of clinal differentiation during their range expansions. Cardamine hirsuta L. has been unintentionally introduced to Japan at least three times and has become widely distributed across Japan. To elucidate the processes of clinal differentiation, we conducted a common garden experiment using three lineages of C. hirsuta (North, East, and West). We tested for phenotypic differentiation among and within the lineages, and for a common pattern of clinal variations in phenotypic traits. We detected differentiations of flowering phenology and body size within and among the lineages. The East lineage showed delayed flowering phenology and larger mass, whereas the West lineage showed rapid flowering phenology and smaller mass. In addition, three patterns of variation between climate factors in seed source habitats and phenotypic traits were detected in all three lineages: higher temperature was related to earlier flowering and lower leaf number at the start of flowering, and more hours of sunshine were related to shorter flowering period. These patterns imply independent and parallel differentiations in the three lineages. These results suggest that analyses of distinct lineages allow repeated observations of differentiation processes and rapid responses of species during successful distribution in new environments.

Summary Phenotypic variation is the basis for trait adaptation via evolutionary selection. 1, 2, 3 However, the driving forces behind the quantitative trait variations remain unclear owing to their complexity at the molecular level. 4, 5, 6 This study focused on the natural variation of the free-running period (FRP) of the circadian clock because FRP is a determining factor of the internal clock phase (chronotype), which is responsible for physiological timing during a day. 7 Although natural variations in FRP have been widely reported, 8, 10, 11 few studies have shown the association between FRP and adaptive temporal traits. As a clock-dependent physiological process, photoperiodism is a typical target of local adaptation. 12, 13 Lemna aequinoctialis in Japan is a paddy-field duckweed exhibiting a latitudinal cline of critical day-lengths (CDLs) for short-day flowering. 14 To investigate the relationship between FRP and CDL, we collected 72 strains of L. aequinoctialis within a latitudinal range between 31.5°N to 43.8°N. We found a significant correlation ( P = 7.5E-8) between FRPs and locally adaptive CDLs, confirming that the variation in FRP-dependent chronotypes underlies geographically differentiated photoperiodism. Diel transcriptome analysis revealed that the induction timing of a florigen gene is key for connecting chronotypes to photoperiodism at the molecular level. Based on these results, we propose a fundamental rule concerning the “chronotype effect” in evolution: the variation of FRP functions as a resource for the variation of temporal traits. This study highlights the adaptive significance of FRP variation and provides a reason for the maintenance of FRP variation in natural populations.

Abstract Long-term field monitoring of leaf pigment content is informative for understanding plant responses to environments distinct from regulated chambers, but is impractical by conventional destructive measurements. We developed PlantServation, a method incorporating robust image-acquisition hardware and deep learning-based software to analyze field images, where the plant shape, color, and background vary over months. We estimated the anthocyanin contents of small individuals of four Arabidopsis species using color information and verified the results experimentally. We obtained >4 million plant images over three field seasons to study anthocyanin fluctuations. We found significant effects of past radiation, coldness, and precipitation on the anthocyanin content in the field. The synthetic allopolyploid A. kamchatica recapitulated the fluctuations of natural polyploids by integrating diploid responses. The data support a long-standing hypothesis stating that allopolyploids can inherit and combine the traits of progenitors. PlantServation pipeline facilitates the study of plant responses to complex environments termed “ in natura .”

Abstract Evergreeness is a substantial strategy for temperate and boreal plants and is as common as deciduousness. However, whether evergreen plants switch foliage functions between seasons remains unknown. We conduct an in natura study of leaf senescence control in the evergreen perennial, Arabidopsis halleri . A four-year census of leaf longevity of 102 biweekly cohorts allows us to identify growth season (GS) and overwintering (OW) cohorts characterised by short and extended longevity, respectively, and to recognise three distinct periods in foliage functions, i.e., the growth, overwintering, and reproductive seasons. Photoperiods during leaf expansion separate the GS and OW cohorts, providing primal control of leaf senescence depending on the season, with leaf senescence being shut down during winter. Phenotypic and transcriptomic responses in field experiments indicate that shade-induced and reproductive-sink-triggered senescence are active during the growth and reproductive seasons, respectively. These secondary controls of leaf senescence cause desynchronised and synchronised leaf senescence during growth and reproduction, respectively. Conclusively, seasonal switching of leaf senescence optimises resource production, storage, and translocation for the season, making the evergreen strategy adaptively relevant.

Trichomes are large epidermal cells on the surface of leaves that are thought to deter herbivores, yet the presence of trichomes can also negatively impact plant growth and reproduction. Stomatal guard cells and trichomes have shared developmental origins, and experimental manipulation of trichome formation can lead to changes in stomatal density. The influence of trichome formation upon stomatal development in natural populations of plants is currently unknown. Here, we show that a natural population of Arabidopsis halleri that includes hairy (trichome-bearing) and glabrous (no trichomes) morphs has differences in stomatal density that are associated with this trichome dimorphism. We found that glabrous morphs had significantly greater stomatal density and stomatal index than hairy morphs. One interpretation is that this arises from a trade-off between the proportions of cells that have trichome and guard cell fates during leaf development. The differences in stomatal density between the two morphs might have impacts upon environmental adaptation, in addition to herbivory deterrence caused by trichome development.