Abstract Root nodule symbiosis (RNS) is a complex trait that enables plants to access atmospheric nitrogen converted into usable forms through a mutualistic relationship with soil bacteria. Pinpointing the evolutionary origins of RNS is critical for understanding its genetic basis, but building this evolutionary context is complicated by data limitations and the intermittent presence of RNS in a single clade of ca. 30,000 species of flowering plants, i.e., the nitrogen-fixing clade (NFC). We developed the most extensive de novo phylogeny for the NFC and an RNS trait database to reconstruct the evolution of RNS. Our analysis identifies evolutionary rate heterogeneity associated with a two-step process: An ancestral precursor state transitioned to a more labile state from which RNS was rapidly gained at multiple points in the NFC. We illustrate how a two-step process could explain multiple independent gains and losses of RNS, contrary to recent hypotheses suggesting one gain and numerous losses, and suggest a broader phylogenetic and genetic scope may be required for genome-phenome mapping.

Abstract Plant root nodule symbiosis (RNS) with mutualistic nitrogen-fixing bacteria is restricted to a single clade of angiosperms, the Nitrogen-Fixing Nodulation Clade (NFNC), and is best understood in the legume family. It is widely accepted that nodulation originated through the assembly of modules recruited from existing functions, such as mycorrhizal symbiosis, polar growth, and lateral root development. Because nodulating species are scattered within the NFNC, the number of times nodulation has evolved or has been lost has been a matter of considerable speculation. This interesting evolutionary question has practical implications concerning the ease with which nodulation might be engineered in non-nodulating crop plants. Nodulating species share many commonalities, due either to divergence from a common ancestor over 100 million years ago or to convergence or deep homology following independent origins over that same time period. In either case, comparative analyses of diverse nodulation syndromes can provide insights into constraints on nodulation—what must be acquired or cannot be lost for a functional symbiosis—and what the latitude is for variation in the symbiosis. However, much remains to be learned about nodulation, especially outside of legumes. Here we present new information across the spectrum of nodulating groups. We find no evidence for convergence at the level of amino acid residues or gene family expansion across the NFNC. Our phylogenomic analyses further emphasize the uniqueness of the transcription factor, NIN, as a master regulator of nodulation, and identify key mutations affecting its function across the NFNC. We find that nodulation genes are over-represented among orthologous gene groups (OGs) present in the NFNC common ancestor, but that lineage-specific OGs play major roles in nodulation. We identified over 900,000 conserved noncoding elements (CNEs), of which over 300,000 were unique to NFNC species. A significant proportion of these are associated with nodulation-related genes and thus are candidates for transcriptional regulators.

A bstract Oaks ( Quercus ), one of the most species-rich and ecologically dominant woody plant clades in the Northern Hemisphere, are well known for their propensity to hybridize and form syngameons, complexes where alleles are readily exchanged among closely related species. While hybridization has been extensively studied towards the tips of the oak phylogeny, the extent, timeline, and evolutionary scenarios of hybridization during the early radiation of oaks and related genera (Quercoideae) remain poorly known. Using an expansive new dataset of nuclear and chloroplast sequences (including up to 431 spp.), we conducted a multifaceted phylogenomic investigation of Quercus aimed at characterizing gene-tree and cytonuclear (chloroplast-nuclear) discordance and identifying ancient reticulation in the early evolution of the group. We document extensive nuclear gene-tree and cytonuclear discordance at deep nodes in Quercus and Quercoideae, with Quercus recovered as non-monophyletic in the chloroplast phylogeny. Analyses recovered clear signatures of gene flow against a backdrop of incomplete lineage sorting, with gene flow most prevalent among major lineages of Quercus and Quercoideae during their initial radiation, dated to the early-middle Eocene. Ancestral reconstructions including fossil data suggest that the ancestors of Castanea+Castanopsis , Lithocarpus , and the Old World oak clade co-occurred in North America and Eurasia, while the ancestors of Chrysolepis, Notholithocarpus, and the New World oak clade co-occurred in North America, offering ample opportunity for hybridization in each region. Following this initial phase of radiation and reticulation, we detected multiple niche shifts in Quercus and other Quercoideae genera that likely facilitated their expansion into new habitats arising from post-Eocene climatic changes. Our study shows that hybridization—perhaps in the form of ancient syngameons similar to those seen today—has been a common and important process throughout the evolutionary history of oaks and their close relatives.

GetOrganelle is a state-of-the-art toolkit to assemble accurate organelle genomes from NGS data. This toolkit recruit organelle-associated reads using a modified “baiting and iterative mapping” approach, conducts de novo assembly, filters and disentangles assembly graph, and produces all possible configurations of circular organelle genomes. For 50 published samples, we reassembled the circular plastome in 47 samples using GetOrganelle, but only in 12 samples using NOVOPlasty. In comparison with published/NOVOPlasty plastomes, we demonstrated that GetOrganelle assemblies are more accurate. Moreover, we assembled complete mitogenomes of fungi and animals using GetOrganelle. GetOrganelle is freely released under a GPL-3 license ( ).

Abstract Inferring the intrinsic and extrinsic drivers of species diversification and phenotypic disparity across the Tree of Life is a major challenge in evolutionary biology. In green plants, polyploidy (or whole-genome duplication, WGD) is known to play a major role in microevolution and speciation 1 , but the extent to which WGD has shaped macroevolutionary patterns of diversification and phenotypic innovation across plant phylogeny remains an open question. Here we examine the relationship of various facets of genomic evolution—including gene and genome duplication, genome size, and chromosome number—with macroevolutionary patterns of phenotypic innovation, species diversification, and climatic occupancy in gymnosperms. We show that genomic changes, such as WGD and genome-size shifts, underlie the origins of most major extant gymnosperm clades, and notably our results support an ancestral WGD in the gymnosperm lineage. Spikes of gene duplication typically coincide with major spikes of phenotypic innovation, while increased rates of phenotypic evolution are typically found at nodes with high gene-tree conflict, representing historic population-level dynamics during speciation. Most shifts in gymnosperm diversification since the rise of angiosperms are decoupled from putative WGDs and instead are associated with increased rates of climatic occupancy evolution, particularly in cooler and/or more arid climatic conditions, suggesting that ecological opportunity, especially in the later Cenozoic, and environmental heterogeneity have driven a resurgence of gymnosperm diversification. Our study provides critical insight on the processes underlying diversification and phenotypic evolution in gymnosperms, with important broader implications for the major drivers of both micro- and macroevolution in plants.

Summary The macroevolutionary processes that have shaped biodiversity across the temperate realm remain poorly understood and may have resulted from evolutionary dynamics related to diversification rates, dispersal rates, and colonization times, closely coupled with Cenozoic climate change. We integrated phylogenomic, environmental ordination, and macroevolutionary analyses for the cosmopolitan angiosperm family Rhamnaceae to disentangle the evolutionary processes that have contributed to high species diversity within and across temperate biomes. Our results show independent colonization of environmentally similar but geographically separated temperate regions mainly during the Oligocene, consistent with the global expansion of temperate biomes. High global, regional, and local temperate diversity was the result of high in - situ diversification rates, rather than high immigration rates or accumulation time, except for Southern China, which was colonized much earlier than other regions. The relatively common lineage dispersals out of temperate hotspots highlights strong source-sink dynamics across the cosmopolitan distribution of Rhamnaceae. The proliferation of temperate environments since the Oligocene may have provided the ecological opportunity for rapid in - situ diversification of Rhamnaceae across the temperate realm. Our study illustrates the importance of high in - situ diversification rates for the establishment of modern temperate biomes and biodiversity hotspots across spatial scales.

Abstract Root nodule symbiosis (RNS) allows plants to access atmospheric nitrogen converted into usable forms through a mutualistic relationship with soil bacteria. RNS is a complex trait requiring coordination from both the plant host and the bacterial symbiont, and pinpointing the evolutionary origins of root nodules is critical for understanding the genetic basis of RNS. This endeavor is complicated by data limitations and the intermittent presence of RNS in a single clade of ca. 30,000 species of flowering plants, i.e., the nitrogen-fixing clade (NFC). We developed the most extensive de novo phylogeny for all major lineages of the NFC and an enhanced root nodule trait database to reconstruct the evolution of RNS. Through identification of the evolutionary pathway to RNS gain, we show that shifts among heterogeneous evolutionary rates can explain how a complex trait such as RNS can arise many times across a large phylogeny. Our analysis identifies a two-step process in which an ancestral precursor state gave rise to a more labile state from which RNS was quickly gained at specific points in the NFC. Our rigorous reconstruction of ancestral states illustrates how a two-step pathway could have led to multiple independent gains and losses of RNS, contrary to recent hypotheses invoking just a single gain and numerous losses. RNS may be an example of multi-level convergent evolution, thus requiring a broader phylogenetic and genetic scope for genome-phenome mapping to elucidate mechanisms enabling fully functional RNS.