Green plants (Viridiplantae) include around 450,000-500,000 species1,2 of great diversity and have important roles in terrestrial and aquatic ecosystems. Here, as part of the One Thousand Plant Transcriptomes Initiative, we sequenced the vegetative transcriptomes of 1,124 species that span the diversity of plants in a broad sense (Archaeplastida), including green plants (Viridiplantae), glaucophytes (Glaucophyta) and red algae (Rhodophyta). Our analysis provides a robust phylogenomic framework for examining the evolution of green plants. Most inferred species relationships are well supported across multiple species tree and supermatrix analyses, but discordance among plastid and nuclear gene trees at a few important nodes highlights the complexity of plant genome evolution, including polyploidy, periods of rapid speciation, and extinction. Incomplete sorting of ancestral variation, polyploidization and massive expansions of gene families punctuate the evolutionary history of green plants. Notably, we find that large expansions of gene families preceded the origins of green plants, land plants and vascular plants, whereas whole-genome duplications are inferred to have occurred repeatedly throughout the evolution of flowering plants and ferns. The increasing availability of high-quality plant genome sequences and advances in functional genomics are enabling research on genome evolution across the green tree of life.

Significance Early branching events in the diversification of land plants and closely related algal lineages remain fundamental and unresolved questions in plant evolutionary biology. Accurate reconstructions of these relationships are critical for testing hypotheses of character evolution: for example, the origins of the embryo, vascular tissue, seeds, and flowers. We investigated relationships among streptophyte algae and land plants using the largest set of nuclear genes that has been applied to this problem to date. Hypothesized relationships were rigorously tested through a series of analyses to assess systematic errors in phylogenetic inference caused by sampling artifacts and model misspecification. Results support some generally accepted phylogenetic hypotheses, while rejecting others. This work provides a new framework for studies of land plant evolution.

Abstract The adaptation of weedy plants to herbicide is both a significant problem in agriculture and a model for the study of rapid adaptation under regimes of strong selection. Despite recent advances in our understanding of simple genetic changes that lead to resistance, a significant gap remains in our knowledge of resistance controlled by many loci and the evolutionary factors that influence the maintenance of resistance over time. Here, we perform a multi-level analysis involving whole genome sequencing and assembly, resequencing and gene expression analysis to both uncover putative loci involved in nontarget herbicide resistance and to examine evolutionary forces underlying the maintenance of resistance in natural populations. We found loci involved in herbicide detoxification, stress sensing, and alterations in the shikimate acid pathway to be under selection, and confirmed that detoxification is responsible for glyphosate resistance using a functional assay. Furthermore, we found interchromosomal linkage disequilibrium (ILD), most likely associated with epistatic selection, to influence NTSR loci found on separate chromosomes thus potentially mediating resistance through generations. Additionally, by combining the selection screen, differential expression and LD analysis, we identified fitness cost loci that are strongly linked to resistance alleles, indicating the role of genetic hitchhiking in maintaining the cost. Overall, our work strongly suggests that NTSR glyphosate resistance in I. purpurea is conferred by multiple genes which are maintained through generations via ILD, and that the fitness cost associated with resistance in this species is a by-product of genetic-hitchhiking.

Abstract Inbreeding depression is a central parameter underlying mating system variation in nature and one that can be altered by environmental stress. Although a variety of systems show that inbreeding depression tends to increase under stressful conditions, we have very little understanding across most organisms how the level of inbreeding depression may change as a result of adaptation to stressors. In this work we examined the potential that inbreeding depression varied among lineages of Ipomoea purpurea artificially evolved to exhibit divergent levels of herbicide resistance. We examined inbreeding depression in a variety of fitness-related traits in both the growth chamber and in the field. We paired our examination of inbreeding depression in fitness-related traits with an examination of gene expression changes associated with the level of herbicide resistance, breeding history (inbred or outcrossed), and the interaction of the breeding system and the level of herbicide resistance. We found that, while inbreeding depression was present across many of the traits, lineages artificially selected for increased herbicide resistance often showed no evidence of inbreeding depression in the presence of herbicide, and in fact, showed evidence of outbreeding depression in some traits compared to non-selected control lines and lineages selected for increased herbicide susceptibility. Further, at the transcriptome level, the resistant selection lines had differing patterns of gene expression according to breeding type (inbred vs outcrossed) compared to the control and susceptible selection lines. Our data together indicate that inbreeding depression may be lessened in populations that are adapting to regimes of strong selection.

Abstract External features of organisms often serve as the first line of defense in their immediate environments. Trichomes are hair-like appendages on plant surfaces that can defend against damaging agents such as pathogens, herbivores, and UV radiation. It is currently unknown if the variation observed in trichome traits represents dual or conflicting roles against different types of stressors. Here, we assess whether trichomes serve as an herbicide resistance trait and how it coincides with the conventionally studied defensive strategy of herbivory resistance. In a series of experiments, we exposed the annual invasive velvetleaf ( Abutilon theophrasti ) to glyphosate (active ingredient in the herbicide ‘Roundup’) to investigate whether trichome traits (shape and density) are linked to herbicide resistance and to test whether herbicide alters selection on plant trichomes. We found that an increased proportion of branched trichomes positively impacted herbicide resistance as well as chewing herbivory resistance. We also found evidence that glyphosate imposes positive selection on branched trichomes in velvetleaf. Overall, our results indicate that branched trichomes can contribute to both herbicide and herbivory resistance, serving as a dual structural form of resistance reducing plant injury. If our results are to be applied more broadly, it would suggest that herbicide exposure can alter the composition of plant trichomes, potentially impacting trichome-mediated defenses against various external stressors.

Abstract Plastic phenotypic responses to environmental change are common, yet we lack a clear understanding of the fitness consequences of these plastic responses. Here, we use the evolution of herbicide resistance in the common morning glory ( Ipomoea purpurea ) as a model for understanding the relative importance of adaptive and maladaptive gene expression responses to herbicide. Specifically, we compare leaf gene expression changes caused by herbicide to the expression changes that evolve in response to artificial selection for herbicide resistance. We identify a number of genes that show plastic and evolved responses to herbicide and find that for the majority of genes with both plastic and evolved responses, plastic responses appear to be adaptive. We also find that selection for herbicide response increases gene expression plasticity. Overall, these results show the importance of adaptive plasticity for herbicide resistance in a common weed and that expression changes in response to strong environmental change can be adaptive. Impact statement Predicting whether and how organisms will adapt to environmental change is a crucial goal. However, this goal can be complicated because environmental change can alter traits, in a process called plasticity. The extent and fitness consequences of plasticity will have important effects on the adaptive process. In this study, we use adaptation to herbicide in the agricultural weed, the common morning glory, as a model for understanding the extent and fitness consequences of plasticity in gene expression. We find evidence that gene expression plasticity is adaptive in the presence of herbicide, suggesting that understanding plasticity is crucial for understanding how organisms adapt to new environments.

ABSTRACT How agricultural regimes, such as novel herbicide exposure, may influence plant-herbivore interactions and specifically patterns of plant herbivory has come under increased interest in recent years due to rapidly changing herbicide use in agroecosystems. This paper examines patterns of plant herbivory using three common agricultural weeds exposed to low doses of dicamba, a synthetic auxin herbicide that is exponentially increasing in use given the adoption of dicamba tolerant crops. We used a replicated field study to examine how the amount and type of chewing herbivory may be altered in Ipomoea purpurea (common morning glory, Convolvulaceae), Datura stramonium (jimsonweed, Solanaceae), and Abutilon theophrasti (velvetleaf, Malvaceae) exposed to dicamba drift ( i.e ., 1% of the field dose). We found an increase in chewing herbivory damage when plants were exposed to dicamba and changes in the type of herbivory following exposure. Chewing herbivory differed among species in the presence of dicamba drift: A. theophrasti and D. stramonium showed more total leaf-chewing herbivory than controls, but I. purpurea showed no difference in the overall amount of herbivory. We also found that the type of herbivory was significantly altered in drift. A. theophrast i and I. purpurea both exhibited declines in hole feeding but increases in margin feeding, whereas D. stramonium showed no such changes. Overall, our results show that herbicide drift can induce shifts in plant-herbivore interactions, highlighting the need for mechanistic studies to uncover the cause underlying the shifts and comparative studies on weed communities to understand long-term consequences.

Abstract Natural populations evolve in response to biotic and abiotic changes in their environment, which shape species interactions and ecosystem dynamics. Agricultural systems can introduce novel conditions via herbicide exposure to non-crop habitats in surrounding fields. While herbicide drift is known to produce a variety of toxic effects in plants, little is known about its impact on non-target wildlife species interactions. In a two-year study, we investigated the impact of herbicide drift on plant-herbivore interactions with common weed velvetleaf ( Abutlion theophrasti ) as the focal species. The findings reveal a significant increase in the phloem feeding silverleaf whitefly ( Bermisia tabaci ) abundance on plants exposed to herbicide at drift rates of 0.5% and 1% of the field dose. We also identified a significant phenotypic tradeoff between whitefly resistance and herbicide resistance in addition to whitefly resistance and relative growth rate in the presence of dicamba drift after increasing the populations grown in year two. In a follow-up greenhouse study, we found evidence that dicamba drift at 0.5% of the field dose significantly increased average chlorophyll content (mg/cm 2 ) along with a positive correlation between whitefly abundance and chlorophyll content. Overall, these findings suggest herbicide exposure to non-target communities can significantly alter herbivore populations, potentially impacting biodiversity and community dynamics of weed populations found at the agro-ecological interface.

ABSTRACT Examining how the landscape may influence gene flow is at the forefront of understanding population differentiation and adaptation. Such understanding is crucial in light of ongoing environmental changes and the elevated risk of ecosystems alteration. In particular, knowledge of how humans may influence the structure of populations is imperative to allow for informed decisions in management and conservation as well as to gain a better understanding of anthropogenic impacts on the interplay between gene flow, genetic drift and selection. Here we use genome-wide molecular markers to characterize the population genetic structure and connectivity of Ipomoea purpurea , a noxious invasive weed. We likewise assess the interaction between natural and human-driven influences on genetic differentiation among populations. Our analyses find that human population density is an important predictor of pairwise population differentiation, suggesting that the agricultural and/or horticultural trade may be involved in maintaining some level of connectivity across distant agricultural fields. Climatic variation appears as an additional predictor of genetic connectivity in this species. We discuss the implications of these results and highlight future research needed to disentangle the mechanistic processes underlying population connectivity of weeds.

Summary Induced plant defense is commonly hypothesized to be an adaptive response to environmental heterogeneity reflecting phenotypic costs and benefits. While various studies have explored the adaptability of induced trichomes in response to biotic factors, we have limited understanding of whether induced trichomes can be an adaptive defense strategy in the presence of novel anthropogenic environmental stressors, such as herbicide exposure. Using annual invasive weed velvetleaf ( Abutilon theophrasti ), we explore whether induced trichome production contributes to herbicide resistance and determine its impact on growth and fitness in the presence and absence of glyphosate (active ingredient in “Roundup”). We observed trichome traits (proportion of polymorphs and density) and found a significant tradeoff between constitutive and inducible strategies for total trichome density. We identified positive correlations between induced total trichome density and herbicide resistance as well as induced branched trichomes and herbicide resistance. Additionally, our selection analysis revealed positive linear selection acting upon induced increase of total trichome production and correlative selection favoring high induced trichome production and intermediate growth. Overall, our study indicates that induced trichome production may evolve as an adaptive defense strategy in agroecosystems and identifies significant constraints impacting the evolution of induced trichome defense.