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 The Brassica genus encompasses three diploid and three allopolyploid genomes, but a clear understanding of the evolution of agriculturally important traits via polyploidy is lacking. We assembled an allopolyploid Brassica juncea genome by shotgun and single-molecule reads integrated to genomic and genetic maps. We discovered that the A subgenomes of B. juncea and Brassica napus each had independent origins. Results suggested that A subgenomes of B. juncea were of monophyletic origin and evolved into vegetable-use and oil-use subvarieties. Homoeolog expression dominance occurs between subgenomes of allopolyploid B . juncea , in which differentially expressed genes display more selection potential than neutral genes. Homoeolog expression dominance in B . juncea has facilitated selection of glucosinolate and lipid metabolism genes in subvarieties used as vegetables and for oil production. These homoeolog expression dominance relationships among Brassicaceae genomes have contributed to selection response, predicting the directional effects of selection in a polyploid crop genome.

Abstract Background Brassica species include both vegetable and oilseed crops, which are very important to the daily life of common human beings. Meanwhile, the Brassica species represent an excellent system for studying numerous aspects of plant biology, specifically for the analysis of genome evolution following polyploidy, so it is also very important for scientific research. Now, the genome of Brassica rapa has already been assembled, it is the time to do deep mining of the genome data. Description BRAD, the Brassica database, is a web-based resource focusing on genome scale genetic and genomic data for important Brassica crops. BRAD was built based on the first whole genome sequence and on further data analysis of the Brassica A genome species, Brassica rapa (Chiifu-401-42). It provides datasets, such as the complete genome sequence of B. rapa , which was de novo assembled from Illumina GA II short reads and from BAC clone sequences, predicted genes and associated annotations, non coding RNAs, transposable elements (TE), B. rapa genes' orthologous to those in A. thaliana , as well as genetic markers and linkage maps. BRAD offers useful searching and data mining tools, including search across annotation datasets, search for syntenic or non-syntenic orthologs, and to search the flanking regions of a certain target, as well as the tools of BLAST and Gbrowse. BRAD allows users to enter almost any kind of information, such as a B. rapa or A. thaliana gene ID, physical position or genetic marker. Conclusion BRAD, a new database which focuses on the genetics and genomics of the Brassica plants has been developed, it aims at helping scientists and breeders to fully and efficiently use the information of genome data of Brassica plants. BRAD will be continuously updated and can be accessed through http://brassicadb.org .

Abstract The genus Brassica includes several important agricultural and horticultural crops. Their current genome structures were shaped by whole-genome triplication followed by extensive diploidization. The availability of several crucifer genome sequences, especially that of Chinese cabbage (Brassica rapa), enables study of the evolution of the mesohexaploid Brassica genomes from their diploid progenitors. We reconstructed three ancestral subgenomes of B. rapa (n = 10) by comparing its whole-genome sequence to ancestral and extant Brassicaceae genomes. All three B. rapa paleogenomes apparently consisted of seven chromosomes, similar to the ancestral translocation Proto-Calepineae Karyotype (tPCK; n = 7), which is the evolutionarily younger variant of the Proto-Calepineae Karyotype (n = 7). Based on comparative analysis of genome sequences or linkage maps of Brassica oleracea, Brassica nigra, radish (Raphanus sativus), and other closely related species, we propose a two-step merging of three tPCK-like genomes to form the hexaploid ancestor of the tribe Brassiceae with 42 chromosomes. Subsequent diversification of the Brassiceae was marked by extensive genome reshuffling and chromosome number reduction mediated by translocation events and followed by loss and/or inactivation of centromeres. Furthermore, via interspecies genome comparison, we refined intervals for seven of the genomic blocks of the Ancestral Crucifer Karyotype (n = 8), thus revising the key reference genome for evolutionary genomics of crucifers.

Abstract Brassica napus (2 n = 4 x = 38, AACC) is an important allopolyploid crop derived from interspecific crosses between Brassica rapa (2 n = 2 x = 20, AA) and Brassica oleracea (2 n = 2 x = 18, CC). However, no truly wild B. napus populations are known; its origin and improvement processes remain unclear. Here, we resequence 588 B. napus accessions. We uncover that the A subgenome may evolve from the ancestor of European turnip and the C subgenome may evolve from the common ancestor of kohlrabi, cauliflower, broccoli, and Chinese kale. Additionally, winter oilseed may be the original form of B. napus . Subgenome-specific selection of defense-response genes has contributed to environmental adaptation after formation of the species, whereas asymmetrical subgenomic selection has led to ecotype change. By integrating genome-wide association studies, selection signals, and transcriptome analyses, we identify genes associated with improved stress tolerance, oil content, seed quality, and ecotype improvement. They are candidates for further functional characterization and genetic improvement of B. napus .

Brassica rapa comprises several important cultivated vegetables and oil crops. Current reference genome assemblies of Brassica rapa are quite fragmented and not highly contiguous, thereby limiting extensive genetic and genomic analyses. Here, we report an improved assembly of the B. rapa genome (v3.0) using single-molecule sequencing, optical mapping, and chromosome conformation capture technologies (Hi-C). Relative to the previous reference genomes, our assembly features a contig N50 size of 1.45 Mb, representing a ~30-fold improvement. We also identified a new event that occurred in the B. rapa genome ~1.2 million years ago, when a long terminal repeat retrotransposon (LTR-RT) expanded. Further analysis refined the relationship of genome blocks and accurately located the centromeres in the B. rapa genome. The B. rapa genome v3.0 will serve as an important community resource for future genetic and genomic studies in B. rapa. This resource will facilitate breeding efforts in B. rapa, as well as comparative genomic analysis with other Brassica species.

Polyploidization, both ancient and recent, is frequent among plants. A "two-step theory" was proposed to explain the meso-triplication of the Brassica "A" genome: Brassica rapa. By accurately partitioning of this genome, we observed that genes in the less fractioned subgenome (LF) were dominantly expressed over the genes in more fractioned subgenomes (MFs: MF1 and MF2), while the genes in MF1 were slightly dominantly expressed over the genes in MF2. The results indicated that the dominantly expressed genes tended to be resistant against gene fractionation. By re-sequencing two B. rapa accessions: a vegetable turnip (VT117) and a Rapid Cycling line (L144), we found that genes in LF had less non-synonymous or frameshift mutations than genes in MFs; however mutation rates were not significantly different between MF1 and MF2. The differences in gene expression patterns and on-going gene death among the three subgenomes suggest that "two-step" genome triplication and differential subgenome methylation played important roles in the genome evolution of B. rapa.

Significance Ancient plant polyploids contain dissimilar subgenomes. Subgenomes that have lost fewer genes are subgenomes that tend to express their genes to higher mRNA levels: “genome dominance.” Genome dominance is heritable through multiple rounds of polyploidy and over tens of millions of years. Twenty-four–nucleotide RNA coverage of noncoding, transposon DNA upstream of genes marks the recessive subgenomes of Brassica rapa and Arabidopsis with only a small effect of gene expression. We hypothesize that the “diploid” parent of a tetraploidy with the lowest transposon load was to become the dominant subgenome. The balance of transposon position effects on genes is important for the regulation of quantity (and perhaps to solve the heterosis and C-value paradoxes).