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.

High oil and protein content make tetraploid peanut a leading oil and food legume. Here we report a high-quality peanut genome sequence, comprising 2.54 Gb with 20 pseudomolecules and 83,709 protein-coding gene models. We characterize gene functional groups implicated in seed size evolution, seed oil content, disease resistance and symbiotic nitrogen fixation. The peanut B subgenome has more genes and general expression dominance, temporally associated with long-terminal-repeat expansion in the A subgenome that also raises questions about the A-genome progenitor. The polyploid genome provided insights into the evolution of Arachis hypogaea and other legume chromosomes. Resequencing of 52 accessions suggests that independent domestications formed peanut ecotypes. Whereas 0.42–0.47 million years ago (Ma) polyploidy constrained genetic variation, the peanut genome sequence aids mapping and candidate-gene discovery for traits such as seed size and color, foliar disease resistance and others, also providing a cornerstone for functional genomics and peanut improvement. High-quality genome sequence of cultivated peanut comprising 2.54 Gb with 20 pseudomolecules and 83,709 protein-coding gene models provides insights into genome evolution and the genetic mechanisms underlying seed size and leaf resistance in peanut.

Cultivated peanut (Arachis hypogaea) is an allotetraploid crop planted in Asia, Africa, and America for edible oil and protein. To explore the origins and consequences of tetraploidy, we sequenced the allotetraploid A. hypogaea genome and compared it with the related diploid Arachis duranensis and Arachis ipaensis genomes. We annotated 39 888 A-subgenome genes and 41 526 B-subgenome genes in allotetraploid peanut. The A. hypogaea subgenomes have evolved asymmetrically, with the B subgenome resembling the ancestral state and the A subgenome undergoing more gene disruption, loss, conversion, and transposable element proliferation, and having reduced gene expression during seed development despite lacking genome-wide expression dominance. Genomic and transcriptomic analyses identified more than 2 500 oil metabolism-related genes and revealed that most of them show altered expression early in seed development while their expression ceases during desiccation, presenting a comprehensive map of peanut lipid biosynthesis. The availability of these genomic resources will facilitate a better understanding of the complex genome architecture, agronomically and economically important genes, and genetic improvement of peanut.

Carbon fiber reinforced polymers (CFRPs) are susceptible to interlaminar failure under high shear stress, which reduces their service life. Herein, we report a strategy to address the interlaminar damage problem of CFRPs by utilizing graphene oxide (GO) as a bridge to chemically bond carbon fibers and epoxy resin. Amino groups were grafted on the surface of carbon fibers to react with GO, then active amino functional groups were introduced onto GO, enabling crosslink with the epoxy resin. The chemical bonding force and mechanical interlocking effect of GO tightly integrated the carbon fibers with the epoxy resin, greatly reducing relative slip under high shear stress. This flexible and robust connection resulted in a significant improvement in the interfacial adhesion strength of CFRPs. The GO content and type of amino reactants were optimized to fabricate CFRPs, and the interlaminar shear strength and transverse fiber bundle tensile strength were increased to 76.36 MPa and 34.2 MPa, which were 46.2 % and 77.2 % higher than those of pre-modification materials, respectively. This research demonstrates that the chemical bonding provided by grafting graphene oxide significantly enhances interlaminar bond strength, thereby extending the service life of CFRPs and offering a promising path for manufacturing high-strength composites.

Seed plants and lycophytes constitute the extant vascular plants. As a model lycophyte, Selaginalla moellendroffii was deciphered its genome, previously proposed to have avoided polyploidies, as key events contributing to the origination and fast expansion of seed plants. Here, using a gold-standard streamline recently proposed to deconvolute complex genomes, we reanalyzed the S. moellendroffii genome. To our surprise, we found clear evidence of multiple paleo-polyploidies, with one being recent (~13-15 millions of years ago or Mya), another one occurring about ~125-142 Mya, during the evolution of lycophytes, and at least 2 or 3 events being more ancient. Besides, comparison of reconstructed ancestral genomes of lycophytes and angiosperms shows that lycophytes were likely much more affected by paleo-polyploidies than seed plants. The present analysis here provides clear and solid evidence that polyploidies have contributed the successful establishment of all vascular plants on earth.