Abstract The members of the tribe Brassiceae share a whole genome triplication (WGT), and one proposed model for its formation is a “two-step” pair of hybridizations producing hexaploid descendants. However, evidence for this model is incomplete, and the evolutionary and functional constraints that drove evolution after the hexaploidy are even less understood. Here we report a new genome sequence of Crambe hispanica , a species sister to most sequenced Brassiceae. Using this new genome and three others that share the hexaploidy, we traced the history of gene loss after the WGT using POInT (the Polyploidy Orthology Inference Tool). We confirm the two-step formation model and infer that there was a significant temporal gap between those two allopolyploidizations, with about a third of the gene losses from the first two subgenomes occurring prior to the arrival of the third. We also, for the 90,000 individual genes in our study, make parental “subgenome” assignments, inferring, with measured uncertainty, which of the progenitor genomes of the allohexaploidy each gene derives from. We further show that each subgenome has a statistically distinguishable rate of homoeolog losses. There is little indication of functional distinction between the three subgenomes: the individual subgenomes show no patterns of functional enrichment, no excess of shared protein-protein or metabolic interactions between their members, and no biases in their likelihood of having experienced a recent selective sweep. We propose a “mix and match” model of allopolyploidy, where subgenome origin drives homoeolog loss propensities but where genes from different subgenomes function together without difficulty.

Genome size of plants has long piqued the interest of researchers due to the vast differences among organisms. However, the mechanisms that drive size differences have yet to be fully understood. Two important contributing factors to genome size are expansions of repetitive elements, such as transposable elements (TEs), and whole-genome duplications (WGD). Although studies have found correlations between genome size and both TE abundance and polyploidy, these studies typically test for these patterns within a genus or species. The plant order Brassicales provides an excellent system to test if genome size evolution patterns are consistent across larger time scales, as there are numerous WGDs. This order is also home to one of the smallest plant genomes, Arabidopsis thaliana - chosen as the model plant system for this reason - as well as to species with very large genomes. With new methods that allow for TE characterization from low-coverage genome shotgun data and 71 taxa across the Brassicales, we find no correlation between genome size and TE content, and more surprisingly we identify no significant changes to TE landscape following WGD.

Abstract The study of domestication contributes to our knowledge of evolution and crop genetic resources. Human selection has shaped wild Brassica rapa into diverse turnip, leafy, and oilseed crops. Despite its worldwide economic importance and potential as a model for understanding diversification under domestication, insights into the number of domestication events and initial crop(s) domesticated in B. rapa have been limited due to a lack of clarity about the wild or feral status of conspecific non-crop relatives. To address this gap and reconstruct the domestication history of B. rapa , we analyzed 68,468 genotyping-by-sequencing-derived SNPs for 416 samples in the largest diversity panel of domesticated and weedy B. rapa to date. To further understand the center of origin, we modeled the potential range of wild B. rapa during the mid-Holocene. Our analyses of genetic diversity across B. rapa morphotypes suggest that non-crop samples from the Caucasus, Siberia, and Italy may be truly wild, while those occurring in the Americas and much of Europe are feral. Clustering, tree-based analyses, and parameterized demographic inference further indicate that turnips were likely the first crop type domesticated, from which leafy types in East Asia and Europe were selected from distinct lineages. These findings clarify the domestication history and nature of wild crop genetic resources for B. rapa , which provides the first step toward investigating cases of possible parallel selection, the domestication and feralization syndrome, and novel germplasm for Brassica crop improvement.

ABSTRACT Understanding the evolutionary history of crops, including identifying wild relatives, helps to provide insight for designing new approaches in crop breeding efforts. Cultivated Brassica oleracea has intrigued researchers for centuries due to its wide diversity in forms, which include cabbage, broccoli, cauliflower, kale, kohlrabi, and Brussels sprouts. Yet, the evolutionary history of this species remains understudied. With such different vegetables produced from a single species, B. oleracea is a model organism for understanding the power of artificial selection. Persistent challenges in the study of B. oleracea include conflicting hypotheses regarding domestication and the identity of the closest living wild relative. Using a diversity panel of 224 accessions, which represents 14 different B. oleracea crop types and nine potential wild progenitor species, we integrate phylogenetic and population genetic techniques with ecological niche modeling, archaeological, and literary evidence to examine relationships among cultivars and wild relatives to clarify the origin of this horticulturally important species. Our analyses point to the Aegean endemic B. cretica as the closest living relative of cultivated B. oleracea , supporting an origin of cultivation in the Eastern Mediterranean region. Additionally, we identify several feral lineages, suggesting that cultivated plants of this species are able to revert to a wild-like state with relative ease. By expanding our understanding of the evolutionary history in B. oleracea , these results contribute to a growing body of knowledge on crop domestication that will facilitate continued breeding efforts including adaptation to changing environmental conditions.

Phytochemical diversity is thought to result from coevolutionary cycles as specialization in herbivores imposes diversifying selection on plant chemical defenses. Plants in the speciose genus Erysimum (Brassicaceae) produce both ancestral glucosinolates and evolutionarily novel cardenolides as defenses. Here we test macroevolutionary hypotheses on co-expression, co-regulation, and diversification of these potentially redundant defenses across this genus. We sequenced and assembled the genome of E. cheiranthoides and foliar transcriptomes of 47 additional Erysimum species to construct a highly resolved phylogeny, revealing that cardenolide diversity increased rapidly rather than gradually over evolutionary time. Concentrations, inducibility, and diversity of the two defenses varied independently among species, with no evidence for trade-offs. Closely related species shared similar cardenolide traits, but not glucosinolate traits, likely as a result of specific selective pressures acting on distinct molecular diversification mechanisms. Ancestral and novel chemical defenses in Erysimum thus appear to provide complementary rather than redundant functions.

Premise of the study: Environmentally controlled facilities, such as growth chambers, are essential tools for experimental research. Automated remote monitoring of such facilities with low-cost hardware can greatly improve both the reproducibility and the accurate maintenance of their conditions. Methods and Results: Using a Raspberry Pi computer, open-source software, environmental sensors, and a camera, we developed a cost-effective system for monitoring growth chamber conditions, which we have called GMpi. Coupled with our software, GMpi_Pack, our setup automates sensor readings, photography, alerts when conditions fall out of range, and data transfer to cloud storage services. Conclusions: The GMpi offers low-cost access to environmental data logging, improving reproducibility of experiments, as well as reinforcing the stability of controlled environmental facilities. The device is also flexible and scalable, allowing customization and expansion to include other features such as machine vision.

Whole-genome duplications (WGDs) are prevalent throughout the evolutionary history of plants. For example, dozens of WGDs have been phylogenetically localized across the order Brassicales, specifically, within the family Brassicaceae. However, while its sister family, Cleomaceae, has also been characterized by a WGD, its placement, as well as that of other WGD events in other families in the order, remains unclear. Using phylo-transcriptomics from 74 taxa and genome survey sequencing for 66 of those taxa, we infer nuclear and chloroplast phylogenies to assess relationships among the major families of the Brassicales and within the Brassicaceae. We then use multiple methods of WGD inference to assess placement of WGD events. We not only present well-supported chloroplast and nuclear phylogenies for the Brassicales, but we also putatively place Th-ɑ and provide evidence for previously unknown events, including one shared by at least two members of the Resedaceae, which we name Rs-ɑ. Given its economic importance and many genomic resources, the Brassicales are an ideal group to continue assessing WGD inference methods. We add to the current conversation on WGD inference difficulties, by demonstrating that sampling is especially important for WGD identification.