The Gossypium genus is used to investigate emergent consequences of polyploidy in cotton species; comparative genomic analyses reveal a complex evolutionary history including interactions among subgenomes that result in genetic novelty in elite cottons and provide insight into the evolution of spinnable fibres. A phylogenetic and genomic study of plants of the cotton genus Gossypium provides insights into the role of polyploidy in the angiosperm evolution, and specifically, in the emergence of spinnable fibres in domesticated cottons. The authors show that an abrupt five- to sixfold ploidy increase about 60 million years ago, and allopolyploidy reuniting divergent genomes approximately 1–2 million years ago, conferred a roughly 30-fold duplication of ancestral flowering plant genes in the 'elite' cottons G. hirsutum and G. barbadense compared to their presumed progenitor G. raimondii. Polyploidy often confers emergent properties, such as the higher fibre productivity and quality of tetraploid cottons than diploid cottons bred for the same environments1. Here we show that an abrupt five- to sixfold ploidy increase approximately 60 million years (Myr) ago, and allopolyploidy reuniting divergent Gossypium genomes approximately 1–2 Myr ago2, conferred about 30–36-fold duplication of ancestral angiosperm (flowering plant) genes in elite cottons (Gossypium hirsutum and Gossypium barbadense), genetic complexity equalled only by Brassica3 among sequenced angiosperms. Nascent fibre evolution, before allopolyploidy, is elucidated by comparison of spinnable-fibred Gossypium herbaceum A and non-spinnable Gossypium longicalyx F genomes to one another and the outgroup D genome of non-spinnable Gossypium raimondii. The sequence of a G. hirsutum AtDt (in which ‘t’ indicates tetraploid) cultivar reveals many non-reciprocal DNA exchanges between subgenomes that may have contributed to phenotypic innovation and/or other emergent properties such as ecological adaptation by polyploids. Most DNA-level novelty in G. hirsutum recombines alleles from the D-genome progenitor native to its New World habitat and the Old World A-genome progenitor in which spinnable fibre evolved. Coordinated expression changes in proximal groups of functionally distinct genes, including a nuclear mitochondrial DNA block, may account for clusters of cotton-fibre quantitative trait loci affecting diverse traits. Opportunities abound for dissecting emergent properties of other polyploids, particularly angiosperms, by comparison to diploid progenitors and outgroups.

Abstract Polyploidy is an evolutionary innovation for many animals and all flowering plants, but its impact on selection and domestication remains elusive. Here we analyze genome evolution and diversification for all five allopolyploid cotton species, including economically important Upland and Pima cottons. Although these polyploid genomes are conserved in gene content and synteny, they have diversified by subgenomic transposon exchanges that equilibrate genome size, evolutionary rate heterogeneities and positive selection between homoeologs within and among lineages. These differential evolutionary trajectories are accompanied by gene-family diversification and homoeolog expression divergence among polyploid lineages. Selection and domestication drive parallel gene expression similarities in fibers of two cultivated cottons, involving coexpression networks and N 6 -methyladenosine RNA modifications. Furthermore, polyploidy induces recombination suppression, which correlates with altered epigenetic landscapes and can be overcome by wild introgression. These genomic insights will empower efforts to manipulate genetic recombination and modify epigenetic landscapes and target genes for crop improvement.

Abstract Cotton fibres are unusually long, single-celled epidermal seed trichomes and a model for plant cell growth, but little is known about the regulation of fibre cell elongation. Here we report that a homeodomain-leucine zipper (HD-ZIP) transcription factor, GhHOX3, controls cotton fibre elongation. GhHOX3 genes are localized to the 12th homoeologous chromosome set of allotetraploid cotton cultivars, associated with quantitative trait loci (QTLs) for fibre length. Silencing of GhHOX3 greatly reduces (>80%) fibre length, whereas its overexpression leads to longer fibre. Combined transcriptomic and biochemical analyses identify target genes of GhHOX3 that also contain the L1-box cis -element, including two cell wall loosening protein genes GhRDL1 and GhEXPA1 . GhHOX3 interacts with GhHD1, another homeodomain protein, resulting in enhanced transcriptional activity, and with cotton DELLA, GhSLR1, repressor of the growth hormone gibberellin (GA). GhSLR1 interferes with the GhHOX3–GhHD1 interaction and represses target gene transcription. Our results uncover a novel mechanism whereby a homeodomain protein transduces GA signal to promote fibre cell elongation.

Abstract Domestication in the cotton genus is remarkable in that it has occurred independently four different times at two different ploidy levels. Relatively little is known about genome evolution and domestication in the cultivated diploid species Gossypium herbaceum and G. arboreum , because of the absence of wild representatives for the latter species, their ancient domestication, and their joint history of human-mediated dispersal and interspecific gene flow. Using in-depth resequencing of a broad sampling from both species, we confirm their independent domestication, as opposed to a progenitor-derivative relationship, showing that diversity (mean π = 2.3×10 -3 ) within species is similar, and that divergence between species is modest (weighted F ST =0.4430). Individual accessions were homozygous for ancestral SNPs at over half of variable sites, while fixed, derived sites were at modest frequencies. Notably, two chromosomes with a paucity of fixed, derived sites ( i.e ., chromosomes 7 and 10) were also strongly implicated in introgression analyses. Collectively, these data demonstrate variable permeability to introgression among chromosomes, which we propose is due to divergent selection under domestication and/or the phenomenon of F 2 breakdown in interspecific crosses. Our analyses provide insight into the evolutionary forces influencing diversity and divergence in the diploid cultivated species, and establish a foundation for understanding the contribution of introgression and/or strong parallel selection to the extensive morphological similarities shared between species. Significance statement The cotton genus ( Gossypium ) contains four different species that were independently domesticated at least 4,000 years ago. Relatively little is understood about diversity and evolution in the two diploid African-Asian sister-species G. herbaceum and G. arboreum , despite their historical importance in the region and contemporary cultivation, largely in the Indian subcontinent. Here we address questions regarding the relationship between the two species, their contemporary levels of diversity, and their patterns of interspecific gene flow accompanying their several millennia history of human-mediated dispersal and contact. We validate independent domestication of the two species and document the genomic distribution of interspecific genetic exchange.

Abstract Alternative splicing (AS) plays crucial roles in regulating various biological processes in plants. However, the genetic mechanisms underlying AS and its role in controlling important agronomic traits in rice (Oryza sativa) remain poorly understood. In this study, we explored AS in rice leaves and panicles using the rice minicore collection. Our analysis revealed a high level of transcript isoform diversity, with approximately one-fifth of the potential isoforms acting as major transcripts in both tissues. Regarding the genetic mechanism of AS, we found that the splicing of 833 genes in the leaf and 1,230 genes in the panicle was affected by cis-genetic variation. Twenty-one percent of these AS events could only be explained by large structural variations. Approximately 77.5% of genes with significant splicing quantitative trait loci (sGenes) exhibited tissue-specific regulation, and AS can cause 26.9% (leaf) and 23.6% (panicle) of sGenes to have altered, lost, or gained functional domains. Additionally, through splicing-phenotype association analysis, we identified phosphate–starvation-induced RING-type E3 ligase (OsPIE1; LOC_Os01g72480), whose splicing ratio was significantly associated with plant height. In summary, this study provides an understanding of AS in rice and its contribution to the regulation of important agronomic traits.

Abstract Cotton is an important crop that has been the beneficiary of multiple genome sequencing efforts, including diverse representatives of wild species for germplasm development. Gossypium anomalum is a wild African diploid species that harbors stress-resistance and fiber-related traits with potential application to modern breeding efforts. In addition, this species is a natural source of cytoplasmic male sterility and a resource for understanding hybrid lethality in the genus. Here we report a high-quality de novo genome assembly for G. anomalum and characterize this genome relative to existing genome sequences in cotton. In addition, we use the synthetic allopolyploids 2(A2D1) and 2(A2D3) to discover regions in the G. anomalum genome potentially involved in hybrid lethality, a possibility enabled by introgression of regions homologous to the D3 ( G. davidsonii ) lethality loci into the synthetic 2(A2D3) allopolyploid.

Abstract Cotton is an important textile crop whose gains in production over the last century have been challenged by various diseases. Because many modern cultivars are susceptible to several pests and pathogens, breeding efforts have included attempts to introgress wild, naturally resistant germplasm into elite lines. Gossypium stocksii is a wild cotton species native to Africa, which is part of a clade of vastly understudied species. Most of what is known about this species comes from pest resistance surveys and/or breeding efforts, which suggests that G. stocksii could be a valuable reservoir of natural pest resistance. Here we present a high-quality de novo genome sequence for G. stocksii . We compare the G. stocksii genome with resequencing data from a closely related, understudied species ( G. somalense ) to generate insight into the relatedness of these cotton species. Finally, we discuss the utility of the G. stocksii genome for understanding pest resistance in cotton, particularly resistance to cotton leaf curl virus.

Polyploidy is a widespread phenomenon throughout eukaryotes. Due to the coexistence of duplicated genomes, polyploids offer unique challenges for estimating gene expression levels, which is essential for understanding the massive and various forms of transcriptomic responses accompanying polyploidy. Although previous studies have explored the bioinformatics of polyploid transcriptomic profiling, the causes and consequences of inaccurate quantification of transcripts from duplicated gene copies have not been addressed. Using transcriptomic data from the cotton genus ( Gossypium ) as an example, we present an analytical workflow to evaluate a variety of bioinformatic method choices at different stages of RNA-seq analysis, from homoeolog expression quantification to downstream analysis used to infer key phenomena of polyploid expression evolution. In general, GSNAP-PolyCat outperforms other quantification pipelines tested, and its derived expression dataset best represents the expected homoeolog expression and co-expression divergence. The performance of co-expression network analysis was less affected by homoeolog quantification than by network construction methods, where weighted networks outperformed binary networks. By examining the extent and consequences of homoeolog read ambiguity, we illuminate the potential artifacts that may affect our understanding of duplicate gene expression, including an over-estimation of homoeolog co-regulation and the incorrect inference of subgenome asymmetry in network topology. Taken together, our work points to a set of reasonable practices that we hope are broadly applicable to the evolutionary exploration of polyploids.

Abstract Cotton fiber development relies on complex and intricate biological processes to transform newly differentiated fiber initials into the mature, extravagantly elongated cellulosic cells that are the foundation of this economically important cash crop. Here we extend previous research into cotton fiber development by employing controlled conditions to minimize variability and utilizing time-series sampling and analyses to capture daily transcriptomic changes from early elongation through the early stages of secondary wall synthesis (6 to 24 days post anthesis; DPA). A majority of genes are expressed in fiber, largely partitioned into two major coexpression modules that represent genes whose expression generally increases or decreases during development. Differential gene expression reveals a massive transcriptomic shift between 16 and 17 DPA, corresponding to the onset of the transition phase that leads to secondary wall synthesis. Subtle gene expression changes are captured by the daily sampling, which are discussed in the context of fiber development. Coexpression and gene regulatory networks are constructed and associated with phenotypic aspects of fiber development, including turgor and cellulose production. Key genes are considered in the broader context of plant secondary wall synthesis, noting their known and putative roles in cotton fiber development. The analyses presented here highlight the importance of fine-scale temporal sampling on understanding developmental processes and offer insight into genes and regulatory networks that may be important in conferring the unique fiber phenotype.

Abstract Cotton fiber development entails complex genome-wide gene regulatory networks (GRN) that remain mostly unexplored. Here we present integrative analyses of fiber GRNs using public RNA-seq datasets, integrated with multi-omics genomic, transcriptomic, and cistromic data. We detail the fiber co-expression dynamics and regulatory connections, validating findings with external datasets and transcription factor (TF) binding site data. We elucidate previously uncharacterized TFs that regulate genes involved in fiber-related functions and cellulose synthesis, and identify the regulatory role of two homoeologous G2-like transcription factors on fiber length. Analysis of duplicated gene expression and network relationships in allopolyploid cotton, which has two co-resident genomes (A, D), revealed novel aspects of asymmetric subgenomic developmental contributions. Whereas D-based homoeolog pairs drive higher overall gene expression from the D subgenome, TFs from the A subgenome play a preferential regulatory role in the fiber gene regulatory network. Following allopolyploid formation, it appears that the trans-regulatory roles of TFs diversified more rapidly between homoeologs than did the cis-regulatory elements of their target genes. Our approach underscores the utility of network analysis for detection of master regulators and provides fresh perspectives on fiber development and polyploid functional genomics, through the lens of co-expression and GRN dynamics.