Abstract Genetic diversity is key to crop improvement. Owing to pervasive genomic structural variation, a single reference genome assembly cannot capture the full complement of sequence diversity of a crop species (known as the ‘pan-genome’ 1 ). Multiple high-quality sequence assemblies are an indispensable component of a pan-genome infrastructure. Barley ( Hordeum vulgare L.) is an important cereal crop with a long history of cultivation that is adapted to a wide range of agro-climatic conditions 2 . Here we report the construction of chromosome-scale sequence assemblies for the genotypes of 20 varieties of barley—comprising landraces, cultivars and a wild barley—that were selected as representatives of global barley diversity. We catalogued genomic presence/absence variants and explored the use of structural variants for quantitative genetic analysis through whole-genome shotgun sequencing of 300 gene bank accessions. We discovered abundant large inversion polymorphisms and analysed in detail two inversions that are frequently found in current elite barley germplasm; one is probably the product of mutation breeding and the other is tightly linked to a locus that is involved in the expansion of geographical range. This first-generation barley pan-genome makes previously hidden genetic variation accessible to genetic studies and breeding.

Summary The higher-order organization of metaphase chromosomes has been debated for almost 140 years. Classical light and electron microscopy studies suggested that chromatids are composed of helically organized chromatin fibers (chromonemata). Non-helical models were also recently proposed. We studied chromosome organization in barley using cutting-edge approaches and obtained evidence for a helically arranged 400-nm chromatin fiber representing the chromonema within chromatid arms. The number of turns is positively correlated with arm length. Turn size and chromatin density decrease towards the telomeres. Due to their specialized functions, the helical organization of centromeres and nucleolus-organizing regions is interrupted by several thinner, straight chromatin fibers. A comparison with previously published data indicates that the helical turning of metaphase chromatid arms is a conserved feature of large eukaryotic chromosomes.

Abstract The great efforts spent in the maintenance of past diversity in genebanks are rationalized by the potential role of plant genetic resources in future crop improvement – a concept whose practical implementation has fallen short of expectations. Here, we implement genomics-informed parent selection to expedite pre-breeding without discriminating against non-adapted germplasm. We collect dense genetic profiles for a large winter wheat collection and evaluate grain yield and resistance to yellow rust in representative coresets. Genomic prediction within and across genebanks identified the best parents for PGR x elite derived crosses that outyielded current elite cultivars in multiple field trials.

ABSTRACT Accurate characterization of splice junctions as well as transcription start and end sites in reference transcriptomes allows precise quantification of transcripts from RNA-seq data and enable detailed investigations of transcriptional and post-transcriptional regulation. Using novel computational methods and a combination of PacBio Iso-seq and Illumina short read sequences from 20 diverse tissues and conditions, we generated a comprehensive and highly resolved barley reference transcript dataset (RTD) from the European 2-row spring barley cultivar Barke (BaRTv2.18). Stringent and thorough filtering was carried out to maintain the quality and accuracy of the splice junctions and transcript start and end sites. BaRTv2.18 shows increased transcript diversity and completeness compared to an earlier version, BaRTv1.0. The accuracy of transcript level quantification, splice junctions and transcript start and end sites has been validated extensively using parallel technologies and analysis, including high resolution RT PCR and 5’ RACE. BaRTv2.18 contains 39,434 genes and 148,260 transcripts, representing the most comprehensive and resolved reference transcriptome in barley to date. It provides an important and high-quality resource for advanced transcriptomic analyses, including both transcriptional and post-transcriptional regulation, with exceptional resolution and precision.

Abstract Increasing the proportion of locally produced plant protein in currently meat-rich diets could substantially reduce greenhouse gas emission and loss of biodiversity. However, plant protein production is hampered by the lack of a cool-season legume equivalent to soybean in agronomic value. Faba bean ( Vicia faba L.) has a high yield potential and is well-suited for cultivation in temperate regions, but genomic resources are scarce. Here, we report a high-quality chromosome-scale assembly of the faba bean genome and show that it has grown to a massive 13 Gb in size through an imbalance between the rates of amplification and elimination of retrotransposons and satellite repeats. Genes and recombination events are evenly dispersed across chromosomes and the gene space is remarkably compact considering the genome size, though with significant copy number variation driven by tandem duplication. Demonstrating practical application of the genome sequence, we develop a targeted genotyping assay and use high-resolution genome-wide association (GWA) analysis to dissect the genetic basis of hilum colour. The resources presented constitute a genomics-based breeding platform for faba bean, enabling breeders and geneticists to accelerate improvement of sustainable protein production across Mediterranean, subtropical, and northern temperate agro-ecological zones.

Abstract Aegilops is a close relative of wheat ( Triticum spp.), and Aegilops species in the section Sitopsis represent a rich reservoir of genetic diversity for improvement of wheat. To understand their diversity and advance their utilization, we produced whole-genome assemblies of Ae. longissima and Ae. speltoides . Whole-genome comparative analysis, along with the recently sequenced Ae. sharonensis genome, showed that the Ae. longissima and Ae. sharonensis genomes are highly similar and most closely related to the wheat D subgenome. By contrast, the Ae. speltoides genome is more closely related to the B subgenome. Haplotype block analysis supported the idea that Ae. speltoides is the closest ancestor of the wheat B subgenome and highlighted variable and similar genomic regions between the three Aegilops species and wheat. Genome-wide analysis of nucleotide-binding site leucine-rich repeat (NLR) genes revealed species-specific and lineage-specific NLR genes and variants, demonstrating the potential of Aegilops genomes for wheat improvement. Teaser Genome sequences of Aegilops species provides a key for efficient exploitation of this rich genetic resource in wheat improvement.

Bread wheat (Triticum aestivum) is a globally dominant crop and major source of calories and proteins for the human diet. Compared with its wild ancestors, modern bread wheat shows lower genetic diversity, caused by polyploidisation, domestication and breeding bottlenecks1,2. Wild wheat relatives represent genetic reservoirs, and harbour diversity and beneficial alleles that have not been incorporated into bread wheat. Here we establish and analyse extensive genome resources for Tausch's goatgrass (Aegilops tauschii), the donor of the bread wheat D genome. Our analysis of 46 Ae. tauschii genomes enabled us to clone a disease resistance gene and perform haplotype analysis across a complex disease resistance locus, allowing us to discern alleles from paralogous gene copies. We also reveal the complex genetic composition and history of the bread wheat D genome, which involves contributions from genetically and geographically discrete Ae. tauschii subpopulations. Together, our results reveal the complex history of the bread wheat D genome and demonstrate the potential of wild relatives in crop improvement. Analysis of 46 newly sequenced or re-sequenced Tausch's goatgrass (Aegilops tauschii) accessions establishes the origin of the bread wheat (Triticum aestivum) D genome from genetically and geographically discrete Ae. tauschii subpopulations.

Abstract Background The sequencing of whole genomes is becoming increasingly affordable. In this context large-scale sequencing projects are generating ever larger datasets of species-specific genomic diversity. As a consequence, more and more genomic data needs to be made easily accessible and analyzable to the scientific community. Findings We present DivBrowse, a web application for interactive visualization and exploratory analysis of genomic diversity data stored in Variant Call Format (VCF) files of any size. By seamlessly combining BLAST as an entry point together with interactive data analysis features such as principal component analysis in one graphical user interface, DivBrowse provides a novel and unique set of exploratory data analysis capabilities for genomic biodiversity datasets. The capability to integrate DivBrowse into existing web applications supports interoperability between different web applications. Built-in interactive computation of principal component analysis allows users to perform ad-hoc analysis of the population structure based on specific genetic elements such as genes and exons. Data interoperability is supported by the ability to export genomic diversity data in VCF and General Feature Format (GFF3) files. Conclusion DivBrowse offers a novel approach for interactive visualization and analysis of genomic diversity data and optionally also gene annotation data by including features like interactive calculation of variant frequencies and principal component analysis. The use of established standard file formats for data input supports interoperability and seamless deployment of application instances based on the data output of established bioinformatics pipelines.

ABSTRACT Chloroplasts fuel plant development and growth by converting solar into chemical energy. They mature from proplastids through the concerted action of genes in both the organellar and the nuclear genome. Defects in such genes impair chloroplast development and may lead to pigment-deficient seedlings or seedlings with variegated leaves. Such mutants are instrumental as tools for dissecting genetic factors underlying the mechanisms involved in chloroplast biogenesis. Characterization of the green-white variegated albostrians mutant of barley has greatly broadened the field of chloroplast biology including the discovery of retrograde signaling. Here, we report the identification of the ALBOSTRIANS gene HvAST by positional cloning as well as its functional validation based on independently induced mutants by TILLING and RNA-guided Cas9 endonuclease mediated gene editing. The phenotypes of the independent HvAST mutants imply residual activity of HvAST in the original albostrians allele conferring an imperfect penetrance of the variegated phenotype even at homozygous state of the mutation. HvAST is a homolog of the Arabidopsis thaliana CCT Motif transcription factor gene AtCIA2 , which was reported to be involved in the expression of nuclear genes essential for chloroplast biogenesis. Interestingly, in barley we localized HvAST to the chloroplast indicating novel without any clear evidence of nuclear localization. One-sentence summary Leaf variegation in the barley mutant albostrians is caused by mutation of a single CCT-domain containing gene with residual activity, which is directed to the chloroplast.

An enduring question in evolutionary biology concerns the degree to which episodes of convergent trait evolution depend on the same genetic programs, particularly over long timescales. In this work, we genetically dissected repeated origins and losses of prickles—sharp epidermal projections—that convergently evolved in numerous plant lineages. Mutations in a cytokinin hormone biosynthetic gene caused at least 16 independent losses of prickles in eggplants and wild relatives in the genus Solanum . Homologs underlie prickle formation across angiosperms that collectively diverged more than 150 million years ago, including rice and roses. By developing new Solanum genetic systems, we leveraged this discovery to eliminate prickles in a wild species and an indigenously foraged berry. Our findings implicate a shared hormone activation genetic program underlying evolutionarily widespread and recurrent instances of plant morphological innovation.