Abstract Advances in genomics have expedited the improvement of several agriculturally important crops but similar efforts in wheat ( Triticum spp.) have been more challenging. This is largely owing to the size and complexity of the wheat genome 1 , and the lack of genome-assembly data for multiple wheat lines 2,3 . Here we generated ten chromosome pseudomolecule and five scaffold assemblies of hexaploid wheat to explore the genomic diversity among wheat lines from global breeding programs. Comparative analysis revealed extensive structural rearrangements, introgressions from wild relatives and differences in gene content resulting from complex breeding histories aimed at improving adaptation to diverse environments, grain yield and quality, and resistance to stresses 4,5 . We provide examples outlining the utility of these genomes, including a detailed multi-genome-derived nucleotide-binding leucine-rich repeat protein repertoire involved in disease resistance and the characterization of Sm1 6 , a gene associated with insect resistance. These genome assemblies will provide a basis for functional gene discovery and breeding to deliver the next generation of modern wheat cultivars.

Abstract Polyploidization, or whole genome duplication, is one of the major mechanisms of plant speciation. Allopolyploids (species that harbor polyploid genomes originating from hybridization of different diploid species) have been hypothesized to occupy a niche with intermediate, broader, or fluctuating environmental conditions compared with parental diploids. It remains unclear whether empirical data support this hypothesis and whether specialization of expression patterns of the homeologs (paralogous gene copies resulting from allopolyploidization) relates to habitat environments. Here, we studied the ecology and transcriptomics of a wild allopolyploid Cardamine flexuosa and its diploid parents C. hirsuta and C. amara at a fine geographical scale in their native area in Switzerland. We found that the diploid parents favored opposite extremes in terms of soil moisture, soil carbon-to-nitrogen ratios, and light availability. The habitat of the allopolyploid C. flexuosa was broader compared with those of its parental species and overlapped with those of the parents, but not at its extremes. In C. flexuosa , the genes related to water availability were overrepresented among those at both the expression level and the expression ratio of homeolog pairs, which varied among habitat environments. These findings provide empirical evidence for niche differentiation between an allopolyploid and its diploid parents at a fine scale, where both ecological and transcriptomic data indicated water availability to be the key environmental factor for niche differentiation. Significance statement Polyploidization, or whole genome duplication, is common in plants and may contribute to their ecological diversification. However, little is known about the niche differentiation of wild allopolyploids relative to their diploid parents and the gene expression patterns that may underlie such ecological divergence. We detected niche differentiation between the allopolyploid Cardamine flexuosa and its diploid parents C. amara and C. hirsuta along water availability gradient at a fine scale. The ecological differentiation was mirrored by the dynamic control of water availability-related gene expression patterns according to habitat environments. Thus, both ecological and transcriptomic data revealed niche differentiation between an allopolyploid species and its diploid parents.

Although genome duplication is widespread in wild and crop plants, little is known about genome-wide selection due to the complexity of polyploid genomes. In allopolyploid species, the patterns of purifying selection and adaptive substitutions would be affected by masking owing to duplicated genes or homeologs as well as by effective population size. We resequenced 25 distribution-wide accessions of the allotetraploid Arabidopsis kamchatica, which has a relatively small genome size (450 Mb) derived from the diploid species A. halleri and A. lyrata. The level of nucleotide polymorphism and linkage disequilibrium decay were comparable to A. thaliana, indicating the feasibility of association studies. A reduction in purifying selection compared with parental species was observed. Interestingly, the proportion of adaptive substitutions (α) was significantly positive in contrast to the majority of plant species. A recurrent pattern observed in both frequency and divergence-based neutrality tests is that the genome-wide distributions of both subgenomes were similar, but the correlation between homeologous pairs was low. This may increase the opportunity of different evolutionary trajectories such as in the HMA4 gene involved in heavy metal hyperaccumulation.

Background: Genetic variation in plants alters insect abundance and community structure in the field; however, little is known about the importance of a single gene among diverse plant genotypes. In this context, Arabidopsis trichomes provide an excellent system to discern the roles of natural variation and a key gene, GLABRA1, in shaping insect communities. In this study, we transplanted two independent glabrous mutants (gl1-1 and gl1-2) and 17 natural accessions of Arabidopsis thaliana to two localities in Switzerland and Japan. Results: Fifteen insect species inhabited plant accessions, with 10-30% broad-sense heritability of community indices being detected, such as species richness and diversity. The total abundance of leaf-chewing herbivores was negatively correlated with trichome density at both the field sites, while glucosinolates had variable effects on leaf chewers between the two sites. Interestingly, there was a parallel tendency for the abundance of leaf chewers to be higher on gl1-1 and gl1-2 than for their different parental accessions, Ler-1 and Col-0, respectively. Furthermore, the loss of function in the GLABRA1 gene significantly decreased the resistance of plants to the two predominant chewers, flea beetles and turnip sawflies. Conclusions: Overall, our results indicate that insect community composition on A. thaliana is heritable across two distant field sites, with GLABRA1 playing a key role in altering the abundance of leaf-chewing herbivores. Given that such a trichome variation is widely observed in Brassicaceae plants, the present study exemplifies the community-wide impact of a single plant gene on crucifer-feeding insects in the field.

Recently, increasing attempts have been made to understand how plant genes function in natura studies. To determine whether plant defense genes are activated under multiple biotic stimuli, we combined a high-throughput RNA-Seq with insect survey data on 19 accessions of Arabidopsis thaliana growing on the field site of Switzerland. We found that genes with GO annotations 'glucosinolate biosynthetic process' and 'response to insects' were the most significantly enriched, exhibiting largely variable expression among plant accessions. Nearly half of the total expression variation in glucosinolate biosynthetic genes, AOPs, ESM1, ESP, and TGG1, was explained by among-accession variance. Combined with the field RNA-Seq data, bioassays confirmed that AOP3 was up-regulated in response to the mustard aphid Lipaphis erysimi. In addition, we also found that the expression of a major cis-jasmone activated gene CYP81D11 was positively correlated with the number of the flea beetles Phyllotreta spp. The combined results from RNA-Seq and insect surveys suggested that plants can activate their defenses even when they are exposed to multiple biotic stimuli in natura.

Interspecific gene flow by hybridization may weaken species barriers and adaptive divergence, but also initiate reinforcement of reproductive isolation trough natural and sexual selection. The extent and consequences of interspecific gene flow in natural systems remain poorly understood. To assess genome-wide patterns of gene flow between the two closely related European dung fly species Sepsis cynipsea and Sepsis neocynipsea (Diptera: Sepsidae), we analyzed whole-genome resequencing data from pooled males of laboratory and field populations by means of the ABBA-BABA test. We contrasted genome-wide variation in DNA sequence differences between samples from sympatric populations of these two species in France and Switzerland with that of interspecific pairs of samples involving allopatric populations from Estonia and Italy. In the French Cevennes, we detected a relative excess of sequence identity suggesting interspecific gene flow in sympatry. In contrast, at two sites in Switzerland we observed a relative depletion of sequence identity compatible with reinforcement of species boundaries in sympatry. Our results suggest that the species boundaries between S. cynipsea and S. neocynipsea in Europe are not fixed but depend on the eco-geographic context.

Abstract Long-term field monitoring of leaf pigment content is informative for understanding plant responses to environments distinct from regulated chambers, but is impractical by conventional destructive measurements. We developed PlantServation, a method incorporating robust image-acquisition hardware and deep learning-based software to analyze field images, where the plant shape, color, and background vary over months. We estimated the anthocyanin contents of small individuals of four Arabidopsis species using color information and verified the results experimentally. We obtained >4 million plant images over three field seasons to study anthocyanin fluctuations. We found significant effects of past radiation, coldness, and precipitation on the anthocyanin content in the field. The synthetic allopolyploid A. kamchatica recapitulated the fluctuations of natural polyploids by integrating diploid responses. The data support a long-standing hypothesis stating that allopolyploids can inherit and combine the traits of progenitors. PlantServation pipeline facilitates the study of plant responses to complex environments termed “ in natura .”

Abstract Contemporary speciation provides a unique opportunity to directly observe the traits and environmental responses of a new species. Cardamine insueta is an allotriploid species that appeared within the past 150 years in a Swiss village, Urnerboden. In contrast to its two progenitor species, C. amara and C. rivularis that live in wet and open habitats, respectively, C. insueta is found in-between their habitats with temporal water level fluctuation. This triploid species propagates clonally and serves as a triploid bridge to form higher ploidy species. Although niche separation is observed in field studies, the mechanisms underlying the environmental robustness of C. insueta are not clear. To characterize responses to a fluctuating environment, we performed a time-course analysis of homeolog gene expression in C. insueta in response to submergence treatment. For this purpose, the two parental ( C. amara and C. rivularis ) genome sequences were assembled with a reference-guided approach, and homeolog-specific gene expression was quantified by using HomeoRoq software. We found that C. insueta and C. rivularis initiated vegetative propagation by forming ectopic meristems on leaves, while C. amara did not. We examined homeolog-specific gene expression of three species at nine time points during the treatment. The genome-wide expression ratio of homeolog pairs was 2:1 over the time-course, consistent with the ploidy number. By searching the genes with high coefficient of variation of expression over time-course transcriptome data, we found many known key transcriptional factors related to meristem development and formation upregulated in both C. rivularis and rivularis -homeolog of C. insueta , but not in C. amara . Moreover, some amara -homeologs of these genes were also upregulated in the triploid, suggesting trans-regulation. In turn, Gene Ontology analysis suggested that the expression pattern of submergence tolerant genes in the triploid was inherited from C. amara . These results suggest that the triploid C. insueta combined advantageous patterns of parental transcriptomes to contribute to its establishment in a new niche along a water-usage gradient.

Abstract Whole genome duplication (WGD) events are common in the evolutionary history of many living organisms. For decades, researchers have been trying to understand the genetic and epigenetic impact of WGD and its underlying molecular mechanisms. Particular attention was given to allopolyploid study systems, species resulting from an hybridization event accompanied by WGD. Investigating the mechanisms behind the survival of a newly formed allopolyploid highlighted the key role of DNA methylation. With the improvement of high-throughput methods, such as whole genome bisulfite sequencing (WGBS), an opportunity opened to further understand the role of DNA methylation at a larger scale and higher resolution. However, only a few studies have applied WGBS to allopolyploids, which might be due to lack of genomic resources combined with a burdensome data analysis process. To overcome these problems, we developed the Automated Reproducible Polyploid EpiGenetic GuIdance workflOw (ARPEGGIO): the first workflow for the analysis of epigenetic data in polyploids. This workflow analyzes WGBS data from allopolyploid species via the genome assemblies of the allopolyploid’s parent species. ARPEGGIO utilizes an updated read classification algorithm (EAGLE-RC), to tackle the challenge of sequence similarity amongst parental genomes. ARPEGGIO offers automation, but more importantly, a complete set of analyses including spot checks starting from raw WGBS data: quality checks, trimming, alignment, methylation extraction, statistical analyses and downstream analyses. A full run of ARPEGGIO outputs a list of genes showing differential methylation. ARPEGGIO’s design focuses on ease of use and reproducibility. ARPEGGIO was made simple to set up, run and interpret, and its implementation includes both package management and containerization. Here we discuss all the steps, challenges and implementation strategies; example datasets are provided to show how to use ARPEGGIO. In addition, we also test EAGLE-RC with publicly available datasets given a ground truth, and we show that EAGLE-RC decreases the error rate by 3 to 4 times compared to standard approaches. The goal of ARPEGGIO is to promote, support and improve polyploid research with a reproducible and automated set of analyses in a convenient implementation.

Summary Genetically diverse populations can increase plant resistance to natural enemies. Yet, beneficial genotype pairs remain elusive due to the occurrence of both positive and negative effects of mixed planting on plant resistance, called associational resistance and susceptibility. We used genome-wide polymorphisms of the plant species Arabidopsis thaliana to identify genotype pairs that enhance associational resistance to herbivory. By quantifying neighbor interactions among 199 genotypes grown in a randomized block design, we predicted that 823 of the 19,701 candidate pairs could reduce herbivory through associational resistance. We planted such pairs with predicted associational resistance in mixtures and monocultures and found a significant reduction in herbivore damage in the mixtures. Our study highlights the potential application to assemble genotype mixtures with positive biodiversity effects.