We present the results of two exploratory parsimony analyses of DNA sequences from 475 and 499 species of seed plants, respectively, representing all major taxonomic groups.The data are exclusively from the chloroplast gene rbcL, which codes for the large subunit of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO or RuBPCase).We used two different state-transformation assumptions resulting in two sets of cladograms: (i) equal-weighting for the 499-taxon analysis; and (ii) a procedure that differentially weights transversions over transitions within characters and codon positions among characters for the 475-taxon analysis.The degree of congruence between these results and other molecular, as well as morphological, cladistic studies indicates that rbcL sequence variation contains historical evidence appropriate for phylogenetic analysis at this taxonomic level of sampling.Because the topologies presented are necessarily approximate and cannot be evaluated adequately for internal support, these results should be assessed from the perspective of their predictive value and used to direct future studies, both molecular and morphological.In both analyses, the three genera of Gnetales are placed together as the sister group of the flowering plants, and the anomalous aquatic Ceratophyllum (Ceratophyllaceae) is sister to all other flowering plants.Several major lineages identified correspond well with at least some recent taxonomic schemes for angiosperms, particularly those of Dahlgren and Thorne.The basalmost clades within the angiosperms are orders of the apparently polyphyletic subclass Magnoliidae sensu Cronquist.The most conspicuous feature of the topology is that the major division is not monocot versus dicot, but rather one correlated with general pollen type: uniaperturate versus triaperturate.The Dilleniidae and Hamamelidae are the only subclasses that are grossly polyphyletic; an examination of the latter is presented as an example of the use of these broad analyses to focus more restricted studies.A broadly circumscribed Rosidae is paraphyletic to Asteridae and Dilleniidae.Subclass Caryophyllidae is monophyletic and derived from within Rosidae in the 475-taxon analysis but is sister to a group composed of broadly delineated Asteridae and Rosidae in the 499-taxon study.

A model of DNA sequence evolution applicable to coding regions is presented. This represents the first evolutionary model that accounts for dependencies among nucleotides within a codon. The model uses the codon, as opposed to the nucleotide, as the unit of evolution, and is parameterized in terms of synonymous and nonsynonymous nucleotide substitution rates. One of the model's advantages over those used in methods for estimating synonymous and nonsynonymous substitution rates is that it completely corrects for multiple hits at a codon, rather than taking a parsimony approach and considering only pathways of minimum change between homologous codons. Likelihood-ratio versions of the relative-rate test are constructed and applied to data from the complete chloroplast DNA sequences of Oryza sativa, Nicotiana tabacum, and Marchantia polymorpha. Results of these tests confirm previous findings that substitution rates in the chloroplast genome are subject to both lineage-specific and locus-specific effects. Additionally, the new tests suggest tha the rate heterogeneity is due primarily to differences in nonsynonymous substitution rates. Simulations help confirm previous suggestions that silent sites are saturated, leaving no evidence of heterogeneity in synonymous substitution rates.

Detlef Weigel and colleagues report the genome sequence of Arabidopsis lyrata. In comparison with the much smaller genome of A. thaliana, from which A. lyrata diverged about 10 million years ago, they find that the reduction in genome size is attributed to a large number of deletions across the genome. We report the 207-Mb genome sequence of the North American Arabidopsis lyrata strain MN47 based on 8.3× dideoxy sequence coverage. We predict 32,670 genes in this outcrossing species compared to the 27,025 genes in the selfing species Arabidopsis thaliana. The much smaller 125-Mb genome of A. thaliana, which diverged from A. lyrata 10 million years ago, likely constitutes the derived state for the family. We found evidence for DNA loss from large-scale rearrangements, but most of the difference in genome size can be attributed to hundreds of thousands of small deletions, mostly in noncoding DNA and transposons. Analysis of deletions and insertions still segregating in A. thaliana indicates that the process of DNA loss is ongoing, suggesting pervasive selection for a smaller genome. The high-quality reference genome sequence for A. lyrata will be an important resource for functional, evolutionary and ecological studies in the genus Arabidopsis.

A number of studies have noted that nucleotide substitution rates at the chloroplast-encoded rbcL locus violate the molecular clock principle. Substitution rate variation at this plastid gene is particularly pronounced between palms and grasses; for example, a previous study estimated that substitution rates in rbcL sequences are approximately 5-fold faster in grasses than in palms. To determine whether a proportionate change in substitution rates also occurs in plant nuclear genes, we characterized nucleotide substitution rates in palm and grass sequences for the nuclear gene Adh. In this article, we report that palm sequences evolve at a rate of 2.61 x 10(-9) substitution per synonymous site per year, a rate which is slower than most plant nuclear genes. Grass Adh sequences evolve approximately 2.5-fold faster than palms at synonymous sites. Thus, synonymous rates in nuclear Adh genes show a marked decrease in palms relative to grasses, paralleling the pattern found at the plastid rbcL locus. This shared pattern indicates that synonymous rates are correlated between a nuclear and a plastid gene. Remarkably, nonsynonymous rates do not show this correlation. Nonsynonymous rates vary between two duplicated grass Adh loci, and nonsynonymous rates at the palm Adh locus are not markedly reduced relative to grasses.

It has long been suspected that maize is the product of an historical tetraploid event. Several observations support this possibility, including the fact that the maize genome contains duplicated chromosomal segments with colinear gene arrangements. Some of the genes from these duplicated segments have been sequenced. In this study, we examine the pattern of sequence divergence among 14 pairs of duplicated genes. We compare the pattern of divergence to patterns predicted by four models of the evolution of the maize genome—autotetraploidy, genomic allotetraploidy, segmental allotetraploidy, and multiple segmental duplications. Our analyses indicate that coalescent times for duplicated sequences fall into two distinct groups, corresponding to roughly 20.5 and 11.4 million years. This observation strongly discounts the possibility that the maize genome is the product of a genomic allotetraploid event, and it is also difficult to reconcile with either autotetraploidy or multiple independent segmental duplications. However, the presence of two (and only two) coalescent times is predicted by the segmental allotetraploid model. If the maize genome is the product of a segmental allotetraploid event, as these data suggest, then its two diploid progenitors diverged roughly 20.5 million years ago (Mya), and the allotetraploid event probably occurred approximately 11.4 Mya. Comparison of maize and sorghum sequences suggests that one of the two ancestral diploids shares a more recent common ancestor with sorghum than it does with the other ancestral diploid.

Transposable elements (TEs) are ubiquitous genomic parasites. The deleterious consequences of the presence and activity of TEs have fueled debate about the evolutionary forces countering their expansion. Purifying selection is thought to purge TE insertions from the genome, and TE sequences are targeted by hosts for epigenetic silencing. However, the interplay between epigenetic and evolutionary forces countering TE expansion remains unexplored. Here we analyze genomic, epigenetic, and population genetic data from Arabidopsis thaliana to yield three observations. First, gene expression is negatively correlated with the density of methylated TEs. Second, the signature of purifying selection is detectable for methylated TEs near genes but not for unmethylated TEs or for TEs far from genes. Third, TE insertions are distributed by age and methylation status, such that older, methylated TEs are farther from genes. Based on these observations, we present a model in which host silencing of TEs near genes has deleterious effects on neighboring gene expression, resulting in the preferential loss of methylated TEs from gene-rich chromosomal regions. This mechanism implies an evolutionary tradeoff in which the benefit of TE silencing imposes a fitness cost via deleterious effects on the expression of nearby genes.

Stephen Wright, Detlef Weigel and colleagues report the whole-genome sequence of Capsella rubella, a highly selfing crucifer found throughout much of southern and western Europe. They compare mixed-stage flower bud transcriptomes from C. rubella and C. grandiflora, finding a shift in expression of genes associated with flowering phenotypes and providing insights into the transition to selfing. The shift from outcrossing to selfing is common in flowering plants1,2, but the genomic consequences and the speed at which they emerge remain poorly understood. An excellent model for understanding the evolution of self fertilization is provided by Capsella rubella, which became self compatible <200,000 years ago. We report a C. rubella reference genome sequence and compare RNA expression and polymorphism patterns between C. rubella and its outcrossing progenitor Capsella grandiflora. We found a clear shift in the expression of genes associated with flowering phenotypes, similar to that seen in Arabidopsis, in which self fertilization evolved about 1 million years ago. Comparisons of the two Capsella species showed evidence of rapid genome-wide relaxation of purifying selection in C. rubella without a concomitant change in transposable element abundance. Overall we document that the transition to selfing may be typified by parallel shifts in gene expression, along with a measurable reduction of purifying selection.

Summary The grass family (Poaceae) has been the subject of intense research over the past decade. Although other angiosperm families contain more species and more genera, the Poaceae exceed all other families in ecological dominance and economic importance. Research has focused on the evolutionary relationships among grasses as well as the structure of grass genomes. Here I examine the evolutionary dynamics of grass genomes in a phylogenetic framework. It is clear that grass genomes are evolutionarily labile for many characteristics, including genome size and chromosome number. Variation in genome size among grasses probably reflects fluctuations in the amount of repetitive DNA per genome, but the history and causes of chromosome number changes remain unclear. Despite substantial variation among genomes, comparative maps suggest that grass genomes retain extensive regions of colinearity. By reanalyzing some comparative map data and also by reviewing comparative sequence data, I argue that the current colinearity paradigm requires reassessment. Contents Summary 15 I. Introduction 16 II. Grass relationships, chromosome numbers and genome size 17 1. Grass relationships 17 2. The timescale of grass evolution 17 3. The evolution of chromosome number 18 4. The evolution of genome size 19 III. Comparative maps and sequencing 21 1. Comparative maps of the grasses 21 2. Limitations of map data for evolutionary analyses 22 3. Synteny among grass genomes: a reanalysis 23 4. Microsynteny: comparative grass sequences 24 IV. Conclusions 25 Acknowledgements 26 References 26

Abstract Vegetatively propagated clones accumulate somatic mutations. The purpose of this study was to better understand the consequences of clonal propagation and involved defining the nature of somatic mutations throughout the genome. Fifteen Zinfandel winegrape clone genomes were sequenced and compared to one another using a highly contiguous genome reference produced from one of the clones, Zinfandel 03. Though most heterozygous variants were shared, somatic mutations accumulated in individual and subsets of clones. Overall, heterozygous mutations were most frequent in intergenic space and more frequent in introns than exons. A significantly larger percentage of CpG, CHG, and CHH sites in repetitive intergenic space experienced transition mutations than genic and non-repetitive intergenic spaces, likely because of higher levels of methylation in the region and the increased likelihood of methylated cytosines to spontaneously deaminate. Of the minority of mutations that occurred in exons, larger proportions of these were putatively deleterious when they occurred in relatively few clones. These data support three major conclusions. First, repetitive intergenic space is a major driver of clone genome diversification. Second, clonal propagation is associated with the accumulation of putatively deleterious mutations. Third, the data suggest selection against deleterious variants in coding regions such that mutations are less frequent in coding than noncoding regions of the genome.