Genome-wide diversity and selection in Poaceae plastomes

Background: Chloroplast genomes provide a widely used genomic record for resolving phylogenetic relationships and locating informative variation for marker development, particularly in large, taxonomically complex plant groups such as Poaceae. Methods: We assembled a comparative dataset of 175 complete RefSeq plastomes representing broad phylogenetic and ecological diversity within grasses. Whole-plastome sequences were aligned (356,558 columns), filtered for ≥50% occupancy (138,148 sites), and analyzed for genome-wide nucleotide diversity (π), Shannon entropy, gene-level variability across core coding loci, phylogenomic structure using maximum likelihood, and episodic diversifying selection across core protein-coding genes using BUSTED with synonymous rate variation and FDR correction. Results: The filtered alignment contained extensive phylogenetic signal (84,164 variable sites) and showed moderate genome-wide divergence (mean π = 0.0507) distributed heterogeneously across the plastome. Sliding-window profiles identified discrete hypervariable regions, with prominent peaks near ~13.6–15.9 kb and ~105.6–107.2 kb in the reference coordinate system. Diversity was strongly compartmentalized: π and entropy were elevated in the single-copy regions (LSC/SSC) but markedly reduced across both inverted repeats (IRb/IRa), consistent with repeat-mediated homogenization and strong functional constraint on IR-enriched loci. Gene-level mapping revealed that the highest coding-sequence variability concentrated in photosystem II genes, especially psbI, psbD, and psbK, whereas gene-expression genes such as matK and rps16 were comparatively conserved. Whole-plastome phylogenomics recovered a strongly supported backbone consistent with accepted Poaceae radiations, resolving early-diverging lineages and the major BOP and PACMAD clades with coherent subfamily-level groupings. Codon-based tests detected significant evidence of gene-wide episodic diversifying selection in 13 plastid genes after FDR correction, led by rpoC2 and rpoA, with additional signals spanning ATP synthase, PSI/PSII, cytochrome b₆f, NDH, and envelope-associated genes. Conclusions: Dense plastome sampling across Poaceae reveals a compartmentalized evolutionary landscape in which the IR acts as a low-variation conserved backbone, while the LSC/SSC contain discrete, high-value hotspots for marker development. Episodic selection signals in transcriptional and photosynthetic genes suggest lineage-specific adaptive episodes superimposed on pervasive purifying selection. Together, these results provide a robust phylogenomic framework, a genome-scale diversity atlas, and a prioritized set of candidate loci for barcoding and evolutionary hypothesis testing in grasses.

Arka Plan: Kloroplast genomları, özellikle Poaceae gibi büyük ve taksonomik olarak karmaşık bitki gruplarında filogenetik ilişkilerin çözülmesi ve belirteç geliştirme amacıyla bilgilendirici varyasyonun saptanması için yaygın biçimde kullanılan bir genomik kayıttır. Yöntemler: Çimlerde (Poaceae) geniş filogenetik ve ekolojik çeşitliliği temsil eden 175 tam RefSeq plastomdan oluşan karşılaştırmalı bir veri seti oluşturduk. Tüm plastom dizileri hizalandı (356.558 sütun), ≥%50 doluluk eşiğine göre filtrelendi (138.148 bölge) ve genom-geneli nükleotid çeşitliliği (π), Shannon entropisi, çekirdek kodlayıcı lokuslarda gen-düzeyi değişkenlik, maksimum olabilirlik ile filogenomik yapı ve çekirdek protein-kodlayan genlerde eşanlamlı hız varyasyonu ve FDR düzeltmesi içeren BUSTED kullanılarak epizodik çeşitlendirici seçilim açısından analiz edildi. Bulgular: Filtrelenmiş hizalama, kapsamlı filogenetik sinyal içeriyordu (84.164 değişken bölge) ve plastom boyunca heterojen biçimde dağılmış orta düzeyde genom-geneli ayrışma gösterdi (ortalama π = 0,0507). Kayan pencere profilleri, referans koordinat sisteminde ~13,6–15,9 kb ve ~105,6–107,2 kb civarında belirgin tepelere sahip ayrık hiperdeğişken bölgeler ortaya koydu. Çeşitlilik güçlü biçimde bölümlenmişti: π ve entropi tek kopyalı bölgelerde (LSC/SSC) yükselirken, her iki ters tekrar boyunca (IRb/IRa) belirgin şekilde azalmıştı; bu durum tekrar aracılı homojenleşme ve IR açısından zengin lokuslar üzerindeki güçlü işlevsel kısıt ile uyumludur. Gen-düzeyi haritalama, en yüksek kodlayıcı dizi değişkenliğinin fotosistem II genlerinde, özellikle psbI, psbD ve psbK’de yoğunlaştığını; buna karşılık matK ve rps16 gibi gen ifadesiyle ilişkili genlerin görece daha korunmuş olduğunu gösterdi. Tüm plastom filogenomiği, kabul gören Poaceae radyasyonlarıyla uyumlu güçlü destekli bir omurga ortaya koyarak erken ayrışan soyları ve ana BOP ile PACMAD kladlarını tutarlı altfamilya düzeyi gruplamalarla çözümledi. Kodon-temelli testler, FDR düzeltmesinden sonra 13 plastid geninde gen-geneli epizodik çeşitlendirici seçilime ilişkin anlamlı kanıt saptadı; rpoC2 ve rpoA başta olmak üzere, ek sinyaller ATP sentaz, PSI/PSII, sitokrom b₆f, NDH ve zarfla ilişkili genleri kapsadığı görüldü. Sonuçlar: Poaceae boyunca yoğun plastom örneklemesi, IR’nin düşük varyasyonlu, korunmuş bir omurga olarak davrandığı; buna karşılık LSC/SSC’nin belirteç geliştirme için yüksek değerli, ayrık sıcak noktalara sahip olduğu bölümlenmiş bir evrimsel manzara ortaya koymaktadır. Transkripsiyonel ve fotosentetik genlerdeki epizodik seçilim sinyalleri, yaygın arındırıcı seçilim üzerine binen soy-özgül uyum epizotlarını düşündürmektedir. Birlikte değerlendirildiğinde bu bulgular, sağlam bir filogenomik çerçeve, genom ölçeğinde bir çeşitlilik atlası ve çimlerde barkodlama ile evrimsel hipotez testleri için önceliklendirilmiş aday lokus seti sunmaktadır.