The genomic origins of rape oilseed Many domesticated plants arose through the meeting of multiple genomes through hybridization and genome doubling, known as polyploidy. Chalhoub et al. sequenced the polyploid genome of Brassica napus , which originated from a recent combination of two distinct genomes approximately 7500 years ago and gave rise to the crops of rape oilseed (canola), kale, and rutabaga. B. napus has undergone multiple events affecting differently sized genetic regions where a gene from one progenitor species has been converted to the copy from a second progenitor species. Some of these gene conversion events appear to have been selected by humans as part of the process of domestication and crop improvement. Science , this issue p. 950

The Brassica rapa Genome Sequencing Project Consortium reports the draft genome of the B. rapa accession Chiifu-401-42, an inbred Chinese cabbage line. The B. rapa genome should provide a useful reference genome for the Brassica species, which include many important oil and vegetable crops. We report the annotation and analysis of the draft genome sequence of Brassica rapa accession Chiifu-401-42, a Chinese cabbage. We modeled 41,174 protein coding genes in the B. rapa genome, which has undergone genome triplication. We used Arabidopsis thaliana as an outgroup for investigating the consequences of genome triplication, such as structural and functional evolution. The extent of gene loss (fractionation) among triplicated genome segments varies, with one of the three copies consistently retaining a disproportionately large fraction of the genes expected to have been present in its ancestor. Variation in the number of members of gene families present in the genome may contribute to the remarkable morphological plasticity of Brassica species. The B. rapa genome sequence provides an important resource for studying the evolution of polyploid genomes and underpins the genetic improvement of Brassica oil and vegetable crops.

Polyploidization has provided much genetic variation for plant adaptive evolution, but the mechanisms by which the molecular evolution of polyploid genomes establishes genetic architecture underlying species differentiation are unclear. Brassica is an ideal model to increase knowledge of polyploid evolution. Here we describe a draft genome sequence of Brassica oleracea, comparing it with that of its sister species B. rapa to reveal numerous chromosome rearrangements and asymmetrical gene loss in duplicated genomic blocks, asymmetrical amplification of transposable elements, differential gene co-retention for specific pathways and variation in gene expression, including alternative splicing, among a large number of paralogous and orthologous genes. Genes related to the production of anticancer phytochemicals and morphological variations illustrate consequences of genome duplication and gene divergence, imparting biochemical and morphological variation to B. oleracea. This study provides insights into Brassica genome evolution and will underpin research into the many important crops in this genus. Brassica oleracea is plant species comprising economically important vegetable crops. Here, the authors report the draft genome sequence of B. oleracea and, through a comparative analysis with the closely related B. rapa, reveal insights into Brassicaevolution and divergence of interspecific genomes and intraspecific subgenomes.

Abstract Over 1000 genetically linked RFLP loci in Brassica napus were mapped to homologous positions in the Arabidopsis genome on the basis of sequence similarity. Blocks of genetically linked loci in B. napus frequently corresponded to physically linked markers in Arabidopsis. This comparative analysis allowed the identification of a minimum of 21 conserved genomic units within the Arabidopsis genome, which can be duplicated and rearranged to generate the present-day B. napus genome. The conserved regions extended over lengths as great as 50 cM in the B. napus genetic map, equivalent to ∼9 Mb of contiguous sequence in the Arabidopsis genome. There was also evidence for conservation of chromosome landmarks, particularly centromeric regions, between the two species. The observed segmental structure of the Brassica genome strongly suggests that the extant Brassica diploid species evolved from a hexaploid ancestor. The comparative map assists in exploiting the Arabidopsis genomic sequence for marker and candidate gene identification within the larger, intractable genomes of the Brassica polyploids.

Brassica oleracea is a valuable vegetable species that has contributed to human health and nutrition for hundreds of years and comprises multiple distinct cultivar groups with diverse morphological and phytochemical attributes. In addition to this phenotypic wealth, B. oleracea offers unique insights into polyploid evolution, as it results from multiple ancestral polyploidy events and a final Brassiceae-specific triplication event. Further, B. oleracea represents one of the diploid genomes that formed the economically important allopolyploid oilseed, Brassica napus. A deeper understanding of B. oleracea genome architecture provides a foundation for crop improvement strategies throughout the Brassica genus. We generate an assembly representing 75% of the predicted B. oleracea genome using a hybrid Illumina/Roche 454 approach. Two dense genetic maps are generated to anchor almost 92% of the assembled scaffolds to nine pseudo-chromosomes. Over 50,000 genes are annotated and 40% of the genome predicted to be repetitive, thus contributing to the increased genome size of B. oleracea compared to its close relative B. rapa. A snapshot of both the leaf transcriptome and methylome allows comparisons to be made across the triplicated sub-genomes, which resulted from the most recent Brassiceae-specific polyploidy event. Differential expression of the triplicated syntelogs and cytosine methylation levels across the sub-genomes suggest residual marks of the genome dominance that led to the current genome architecture. Although cytosine methylation does not correlate with individual gene dominance, the independent methylation patterns of triplicated copies suggest epigenetic mechanisms play a role in the functional diversification of duplicate genes.

Abstract There is an increasing awareness that as a result of structural variation, a reference sequence representing a genome of a single individual is unable to capture all of the gene repertoire found in the species. A large number of genes affected by presence/absence and copy number variation suggest that it may contribute to phenotypic and agronomic trait diversity. Here we show by analysis of the Brassica oleracea pangenome that nearly 20% of genes are affected by presence/absence variation. Several genes displaying presence/absence variation are annotated with functions related to major agronomic traits, including disease resistance, flowering time, glucosinolate metabolism and vitamin biosynthesis.

Camelina sativa is an oilseed with desirable agronomic and oil-quality attributes for a viable industrial oil platform crop. Here we generate the first chromosome-scale high-quality reference genome sequence for C. sativa and annotated 89,418 protein-coding genes, representing a whole-genome triplication event relative to the crucifer model Arabidopsis thaliana. C. sativa represents the first crop species to be sequenced from lineage I of the Brassicaceae. The well-preserved hexaploid genome structure of C. sativa surprisingly mirrors those of economically important amphidiploid Brassica crop species from lineage II as well as wheat and cotton. The three genomes of C. sativa show no evidence of fractionation bias and limited expression-level bias, both characteristics commonly associated with polyploid evolution. The highly undifferentiated polyploid genome of C. sativa presents significant consequences for breeding and genetic manipulation of this industrial oil crop.

Abstract ePlant was introduced in 2017 for exploring large Arabidopsis thaliana data sets from the kilometre to nanometre scales. In the past four years we have used the ePlant framework to develop ePlants for 15 agronomically-important species: maize, poplar, tomato, Camelina sativa , soybean, potato, barley, Medicago truncatula , eucalyptus, rice, willow, sunflower, Cannabis sativa , wheat and sugarcane. We also updated the interface to improve performance and accessibility, and added two new views to the Arabidopsis ePlant – the Navigator and Pathways viewers. The former shows phylogenetic relationships between homologs in other species and their expression pattern similarities, with links to view data for those genes in the respective ePlants. The latter shows Plant Reactome metabolic reactions. We also describe new Arabidopsis data sets including single cell RNA-seq data from roots, and how to embed ePlant eFP expression pictographs into any web page.

Abstract We profiled the gene regulatory landscape of Brassica napus reproductive development using RNA sequencing. Comparative analysis of this nascent amphidiploid across the plant lifecycle revealed the contribution of each subgenome to plant reproduction. Global mRNA profiling revealed lower accumulation of C n subgenome transcripts relative to the A n subgenome. Subgenome-specific transcriptional networks identified distinct transcription factor families enriched in each of the A n and C n subgenome early in seed development. Global gene expression profiling of laser-microdissected seed subregions further reveal subgenome expression dynamics in the embryo, endosperm, and seed coat of early stage seeds. Transcription factors predicted to be regulators encoded by the A n subgenome are expressed primarily in the seed coat whereas regulators encoded by the C n subgenome were expressed primarily in the embryo. Data suggest subgenome bias are characteristic features of the B. napus seed throughout development, and that such bias might not be universal across the embryo, endosperm, and seed coat of the developing seed. Whole genome transcription factor networks identified BZIP11 as a transcriptional regulator of early B. napus seed development. Knockdown of BZIP11 using RNA interference resulted in a similar reduction in gene activity of predicted gene targets, and a reproductive-lethal phenotype. Taken together, transcriptional networks spanning both the A n and C n genomes of the B. napus seed can identify valuable targets for seed development research and that-omics level approaches to studying gene regulation in B. napus can benefit from both broad and high-resolution analyses. One Sentence Summary Global RNA sequencing coupled with laser microdissection provides a critical resource to study subgenome bias in whole seeds and specific tissues of polyploid plants.

Abstract Vernalization requirement is an integral component of flowering in winter-type plants. The availability of winter ecotypes among Camelina species facilitated the mapping of QTL for vernalization requirement in C. sativa . An inter- and intraspecific crossing scheme between related Camelina species, where two different sources of the winter-type habit were used, resulted in the development of two segregating populations. Linkage maps generated with sequence-based markers identified three QTL associated with vernalization requirement in C. sativa ; two from the inter-specific (chromosomes 13 and 20) and one from the intra-specific cross (chromosome 8). Notably, the three loci were mapped to different homologous regions of the hexaploid C. sativa genome. All three QTL were found in proximity to FLOWERING LOCUS C ( FLC ), variants of which have been reported to affect the vernalization requirement in plants. Temporal transcriptome analysis for winter-type Camelina alyssum demonstrated reduction in expression of FLC on chromosomes 13 and 20 during cold treatment, which would trigger flowering, since FLC would be expected to suppress floral initiation. FLC on chromosome 8 also showed reduced expression in the C. sativa ssp. pilosa winter parent upon cold treatment, but was expressed at very high levels across all time points in the spring-type C. sativa . The chromosome 8 copy carried a deletion in the spring-type line, which could impact its functionality. Contrary to previous reports, all three FLC loci can contribute to controlling the vernalization response in C. sativa and provide opportunities for manipulating this requirement in the crop. Significance Statement Developing winter C. sativa germplasm is an important breeding goal for this alternative oilseed, with application in the food, fuel and bioproduct industries. Studying the genetic architecture of the vernalization response has shown that contrary to previous reports all three FLC loci in Camelina species could be exploited to manipulate this important trait.