Abstract Shifts from outcrossing to self-fertilisation have occurred repeatedly in many different lineages of flowering plants, and often involve the breakdown of genetic outcrossing mechanisms. In the Brassicaceae, self-incompatibility (SI) allows plants to ensure outcrossing by recognition and rejection of self-pollen on the stigma. This occurs through the interaction of female and male specificity components, consisting of a pistil based receptor and a pollen-coat protein, both of which are encoded by tightly linked genes at the S -locus. When benefits of selfing are higher than costs of inbreeding, theory predicts that loss-of-function mutations in the male (pollen) SI component should be favoured, especially if they are dominant. However, it remains unclear whether mutations in the male component of SI are predominantly responsible for shifts to self-compatibility, and testing this prediction has been difficult due to the challenges of sequencing the highly polymorphic and repetitive ~100 kbp S -locus. The crucifer genus Capsella offers an excellent opportunity to study multiple transitions from outcrossing to self-fertilization, but so far, little is known about the genetic basis and timing of loss of SI in the self-fertilizing diploid Capsella orientalis . Here, we show that loss of SI in C. orientalis occurred within the past 2.6 Mya and maps as a dominant trait to the S -locus. Using targeted long-read sequencing of multiple complete S-haplotypes, we identify a frameshift deletion in the male specificity gene SCR that is fixed in C. orientalis , and we confirm loss of male SI specificity. We further analyze RNA sequencing data to identify a conserved, S -linked small RNA (sRNA) that is predicted to cause dominance of self-compatibility. Our results suggest that degeneration of pollen SI specificity in dominant S -alleles is important for shifts to self-fertilization in the Brassicaceae. Author Summary Already Darwin was fascinated by the widely varying modes of plant reproduction. The shift from outcrossing to self-fertilization is considered one of the most frequent evolutionary transitions in flowering plants, yet we still know little about the genetic basis of these shifts. In the Brassicaceae, outcrossing is enforced by a self-incompatibility (SI) system that enables the recognition and rejection of self pollen. This occurs through the action of two tightly linked genes at the S -locus, that encode a receptor protein located on the stigma (female component) and a pollen ligand protein (male component), respectively. Nevertheless, SI has frequently been lost, and theory predicts that mutations in the male component should have an advantage during the loss of SI, especially if they are dominant. To test this hypothesis, we mapped the loss of SI in a selfing species from the genus Capsella , a model system for evolutionary genomics. We found that loss of SI mapped to the S -locus, which harbored a dominant loss-of-function mutation in the male SI protein, and as expected, we found that male specificity was indeed lost in C. orientalis . Our results suggest that transitions to selfing often involve parallel genetic changes.

Understanding the predictability of evolutionary change is of major importance in biology. Parallel adaptation provides unique insights through replicated natural experiments, yet mechanisms governing the ample variation in genomic parallelism remain unknown. Here, we investigate them using multi-scale genomic analyses of parallel evolution across populations, species and genera. By resequencing genomes of seven independent alpine lineages from two Arabidopsis species, we found that the degree of gene reuse decreases with increasing divergence between lineages. This relationship is well predicted by decreasing frequency of allele reuse, suggesting that availability of preexisting genetic variation is the prime mechanism. A meta-analysis demonstrated that the relationship further continues within the Brassicaceae family. Thus, we found empirical support for a long-standing hypothesis that the genetic basis of adaptive evolution is more predictable in closely related lineages while it becomes more contingent over larger evolutionary distances.

Distyly is an iconic floral polymorphism governed by a supergene, which promotes efficient pollen transfer and outcrossing through reciprocal differences in the position of sexual organs in flowers, often coupled with heteromorphic self-incompatibility (SI). Distyly has evolved convergently in multiple flowering plant lineages, but has also broken down repeatedly, often resulting in homostylous, self-compatible populations with elevated rates of self-fertilization relative to their distylous ancestors. Here, we aimed to study the causes and consequences of the shift to homostyly in Linum trigynum, which is closely related to distylous Linum tenue. Building on a high-quality genome assembly, we show that L. trigynum harbors a genomic region homologous to the dominant haplotype of the distyly supergene in L. tenue, suggesting that loss of distyly first occurred in a short-styled individual. In contrast to homostylous Primula and Fagopyrum, L. trigynum harbors no fixed loss-of-function mutations in coding sequences of S-linked distyly candidate genes. Instead, floral gene expression analyses and controlled crosses suggest that mutations downregulating the S-linked LtWDR-44 candidate gene for male SI and/or anther height could underlie homostyly in L. trigynum. Population genomic analyses of 224 whole-genome sequences further demonstrate that L. trigynum is highly self-fertilizing, exhibits significantly lower genetic diversity genome-wide and is experiencing relaxed purifying selection on nonsynonymous mutations relative to L. tenue, despite the relatively recent split of L. trigynum and L. tenue. Our analyses elucidate the tempo and mode of loss of distyly in L. trigynum, and advances our understanding of a common evolutionary transition in flowering plants.

Abstract Supergenes govern balanced polymorphisms in a wide range of systems. The reciprocal placement of stigmas and anthers in pin and thrum floral morphs of distylous species constitutes an iconic example of a balanced polymorphism governed by a supergene, the distyly S- locus. Recent studies have shown that the Primula and Turnera distyly supergenes are both hemizygous in thrums, but it remains unknown if hemizygosity is pervasive among distyly S -loci. Here we have characterized the genetic architecture and evolution of the distyly supergene in Linum by generating a chromosome-level genome assembly of Linum tenue , followed by the identification of the S -locus using population genomic data. We show that hemizygosity and thrum-specific expression of S -linked genes, including a pistil-expressed candidate gene for style length, are major features of the Linum S -locus. Structural variation is likely instrumental for recombination suppression, and although the non-recombining dominant haplotype has accumulated transposable elements, S- linked genes are not under relaxed purifying selection. Our findings reveal remarkable convergence in the genetic architecture and evolution of independently derived distyly supergenes. The chromosome-level genome assembly and detailed characterization of the distyly S -locus in L. tenue will facilitate elucidation of molecular mechanisms underlying the different forms of flowers described by Darwin.

Abstract Fertilization in angiosperms involves the germination of pollen on the stigma, followed by the extrusion of a pollen tube that elongates through the style and delivers two sperm cells to the embryo sac. Sexual selection could occur throughout this process when male gametophytes compete for fertilization. The strength of sexual selection during pollen competition should be affected by the number of genotypes deposited on the stigma. As increased self-fertilization reduces the number of mating partners, and the genetic diversity and heterozygosity of populations, it should thereby reduce the intensity of sexual selection during pollen competition. Despite the prevalence of mating system shifts, few studies have directly compared the molecular signatures of sexual selection during pollen competition in populations with different mating systems. Here we analyzed whole-genome sequences from natural populations of Arabis alpina , a species showing mating system variation across its distribution, to test whether shifts from cross- to self-fertilization result in molecular signatures consistent with sexual selection on genes involved in pollen competition. We found evidence for efficient purifying selection on genes expressed in vegetative pollen, and overall weaker selection on sperm-expressed genes. This pattern was robust when controlling for gene expression level and specificity. In agreement with the expectation that sexual selection intensifies under cross-fertilization, we found that the efficacy of purifying selection on male gametophyte-expressed genes was significantly stronger in genetically more diverse and outbred populations. Our results show that intra-sexual competition shapes the evolution of pollen-expressed genes, and that its strength fades with increasing self-fertilization rates.