Abstract Despite ferns being crucial to understanding plant evolution, their large and complex genomes has kept their genetic landscape largely uncharted, with only a handful of genomes sequenced and sparse transcriptomic data. Addressing this gap, we generated extensive RNA-sequencing data for multiple organs across 22 representative species over the fern phylogeny, assembling high-quality transcriptomes. These data facilitated the construction of a time-calibrated fern phylogeny covering all major clades, revealing numerous whole-genome duplications and highlighting the uniqueness of fern genetics, with half of the uncovered gene families being fern-specific. Our investigation into fern cell walls through biochemical and immunological analyses identified occurrences of the lignin syringyl unit and its independent evolution in ferns. Moreover, the discovery of an unusual sugar in fern cell walls hints at a divergent evolutionary path in cell wall biochemistry, potentially driven by gene duplication and sub-functionalization. We provide an online database preloaded with genomic and transcriptomic data for ferns and other land plants, which we used to identify an independent evolution of lignocellulosic gene modules in ferns. Our data provide a framework for the unique evolutionary path that ferns have navigated since they split from the last common ancestor of euphyllophytes more than 360 million years ago.

SUMMARY Significant changes have occurred in plant cell wall composition during evolution and diversification of tracheophytes. As the sister lineage to seed plants, knowledge on the cell wall of ferns is key to track evolutionary changes across tracheophytes and to understand seed plant-specific evolutionary innovations. Fern cell wall composition is not fully understood, including limited knowledge of glycoproteins such as the fern arabinogalactan-proteins (AGPs). Here, we characterize the AGPs from the leptosporangiate fern genera Azolla , Salvinia and Ceratopteris . The carbohydrate moiety of seed plant AGPs consists of a galactan backbone including mainly 1,3- and 1,3,6-linked pyranosidic galactose, which is conserved across the investigated fern AGPs. Yet, unlike AGPs of angiosperms, those of ferns contained the unusual sugar 3- O -methylrhamnose. Besides terminal furanosidic Ara (Ara f ), the main linkage type of Ara f in the ferns was 1,2-linked Ara f , whereas in seed plants 1,5-linked Ara f is often dominating. Antibodies directed against carbohydrate epitopes of AGPs supported the structural differences between AGPs of ferns and seed plants. Comparison of AGP linkage types across the streptophyte lineage showed that angiosperms have rather conserved monosaccharide linkage types; by contrast bryophytes, ferns and gymnosperms showed more variability. Phylogenetic analyses of glycosyltransferases involved in AGP biosynthesis and bioinformatic search for AGP protein backbones revealed a versatile genetic toolkit for AGP complexity in ferns. Our data reveal important differences across AGP diversity which functional significance is unknown. This diversity sheds light on the evolution of the hallmark feature of tracheophytes: their elaborate cell walls. SIGNIFICANCE STATEMENT Ferns are the sister lineage of seed plants and key to understanding plant evolution. To understand ferns’ unique cell walls, we analysed arabinogalactan-proteins from the fern genera Azolla , Salvinia and Ceratopteris . Comparison of AGP structures throughout the streptophyte lineage reveals special features in relation to systematic positions and proposes a trend to more hydrophilic AGPs in course of evolution. Through comparative genomic analyses, we pinpoint the potential genetic players for this diversity in cell walls.

ABSTRACT Streptophyte algae are the closest relatives of land plants and their latest common ancestor performed the most drastic adaptation that happened in plant evolution around 500 million years ago: the conquest of land. Beside other adaptations, this step required changes in cell wall composition. Today knowledge on cell walls of streptophyte algae and especially presence of arabinogalactan-proteins (AGPs), which are important signaling molecules of all land plants, is limited. To get deeper insights in cell walls of streptophyte algae, especially of the Charophyceae, we performed sequential cell wall extractions of four Chara species. The three species Chara globularis , Chara subspinosa and Chara tomentosa revealed comparable cell wall compositions with pectins, xylans and xyloglucans, whereas Chara aspera was outstanding with higher amounts of uronic acids in the pectic fractions and lack of reactivity with antibodies binding to xylan- and xyloglucan epitopes. Search for AGPs in the four Chara species and also Nitellopsis obtusa revealed presence of galactans with pyranosidic galactose in 1,3-, 1,6- and 1,3,6-linkage, which are typical galactan motifs of land plant AGPs. A unique feature of these branched galactans were high portions of 3- O -methylgalactose. Only Nitellopsis contained substantial amounts of Ara. Bioinformatic search for prolyl-4-hydroxylase necessary for biosynthesis of AGPs revealed one possible functional sequence in the genome of Chara braunii , but no hydroxyproline could be detected in the four Chara species and Nitellopsis obtusa . We conclude that AGPs typical for land plants are absent at least in these members of the Charophyceae.