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.

Abstract Orphan crops (also described as underutilised and neglected crops) hold the key to diversified and climate-resilient food systems. After decades of neglect, the genome sequencing of orphan crops is gathering pace, providing the foundations for their accelerated domestication and improvement. Recent attention has however turned to the gross under-representation of researchers in Africa in the genome sequencing efforts of their indigenous orphan crops. Here we report a radically inclusive approach to orphan crop genomics using the case of Lablab purpureus (L.) Sweet (syn. Dolichos lablab , or hyacinth bean) – a legume native to Africa and cultivated throughout the tropics for food and forage. Our Africa-led South-North plant genome collaboration produced a high-quality chromosomescale assembly of the lablab genome – the first chromosome-scale plant genome assembly locally sequenced in Africa. We also re-sequenced cultivated and wild accessions of lablab from Africa confirming two domestication events and examined the genetic diversity in lablab germplasm conserved in Africa. Our approach provides a valuable resource for lablab improvement and also presents a model that could be explored by other researchers sequencing indigenous crops particularly from Low and middle income countries (LMIC).

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.

We present a chromosome-scale annotated assembly of the rye (Secale cereale L. inbred line 'Lo7') genome, which we use to explore Triticeae genomic evolution, and rye's superior disease and stress tolerance. The rye genome shares chromosome-level organization with other Triticeae cereals, but exhibits unique retrotransposon dynamics and structural features. Crop improvement in rye, as well as in wheat and triticale, will profit from investigations of rye gene families implicated in pathogen resistance, low temperature tolerance, and fertility control systems for hybrid breeding. We show that rye introgressions in wheat breeding panels can be characterised in high-throughput to predict the yield effects and trade-offs of rye chromatin.

Background: Given its tolerance to stress and its richness in particular secondary metabolites, the tobacco tree, Nicotiana glauca, has been considered a promising biorefinery feedstock that would not be competitive with food and fodder crops. Results: Here we present a 3.5 Gbp draft sequence and annotation of the genome of N. glauca spanning 731,465 scaffold sequences, with an N50 size of approximately 92 kbases. Furthermore, we supply a comprehensive transcriptome and metabolome analysis of leaf development comprising multiple techniques and platforms. The genome sequence is predicted to cover nearly 80% of the estimated total genome size of N. glauca. With 73,799 genes predicted and a BUSCO score of 94.9%, we have assembled the majority of gene-rich regions successfully. RNA-Seq data revealed stage- and/or tissue-specific expression of genes, and we determined a general trend of a decrease of tricarboxylic acid cycle metabolites and an increase of terpenoids as well as some of their corresponding transcripts during leaf development. Conclusion: The N. glauca draft genome and its detailed transcriptome, together with paired metabolite data, constitute a resource for future studies of valuable compound analysis in tobacco species and present the first steps towards a further resolution of phylogenetic, whole genome studies in tobacco.

Chromosome-scale genome sequence assemblies underpin pan-genomic studies. Recent genome assembly efforts in the large-genome Triticeae crops wheat and barley have relied on the commercial closed-source assembly algorithm DeNovoMagic. We have developed TRITEX, an open-source computational workflow that combines paired-end, mate-pair, 10X Genomics linked-read with chromosome conformation capture sequencing data to construct sequence scaffolds with megabase-scale contiguity ordered into chromosomal pseudomolecules. We evaluated the performance of TRITEX on publicly available sequence data of tetraploid wild emmer and hexaploid bread wheat, and constructed an improved annotated reference genome sequence assembly of the barley cultivar Morex as a community resource.

Wheat is the most widely cultivated crop in the world with over 215 million hectares grown annually. However, to meet the demands of a growing global population, breeders face the challenge of increasing wheat production by approximately 60% within the next 40 years. The 10+ Wheat Genomes Project recently sequenced and assembled the genomes of 15 wheat cultivars to develop our understanding of genetic diversity and selection within the pan-genome of wheat. Here, we provide a wheat pan-transcriptome with de novo annotation and differential expression analysis for nine of these wheat cultivars, across multiple different tissues and whole seedlings sampled at dusk/dawn. Analysis of these de novo annotations facilitated the discovery of genes absent from the Chinese Spring reference, identified genes specific to particular cultivars and defined the core and dispensable genomes. Expression analysis across cultivars and tissues revealed conservation in expression between a large core set of homeologous genes, but also widespread changes in subgenome homeolog expression bias between cultivars. Co-expression network analysis revealed the impact of divergence of sub-genome homeolog expression and identified tissue-associated cultivar-specific expression profiles. In summary, this work provides both a valuable resource for the wider wheat community and reveals diversity in gene content and expression patterns between global wheat cultivars.

Advances in genome sequencing and assembly technologies are generating many high quality genome sequences, but assemblies of large, repeat-rich polyploid genomes, such as that of bread wheat, remain fragmented and incomplete. We have generated a new wheat whole-genome shotgun sequence assembly using a combination of optimised data types and an assembly algorithm designed to deal with large and complex genomes. The new assembly represents more than 78% of the genome with a scaffold N50 of 88.8kb that has a high fidelity to the input data. Our new annotation combines strand-specific Illumina RNAseq and PacBio full-length cDNAs to identify 104,091 high confidence protein-coding genes and 10,156 non-coding RNA genes. We confirmed three known and identified one novel genome rearrangements. Our approach enables the rapid and scalable assembly of wheat genomes, the identification of structural variants, and the definition of complete gene models, all powerful resources for trait analysis and breeding of this key global crop.

Background: Transposable elements (TEs) are ubiquitous components of genomes and they are the main contributors to genome evolution. The reference sequence of the hexaploid bread wheat (Triticum aestivum L.) genome enabled for the first time a comprehensive genome-wide view of the dynamics of TEs that have massively proliferated in the A, B, and D subgenomes. Results: TEs represent 85% of the genome. We traced back TE amplification dynamics in the evolutionary history of wheat and did not find large bursts in the wake of either the tetra- or the hexaploidization. Despite the massive turnover of TEs since A, B, and D diverged, 76% of TE families are present in similar proportions in the three subgenomes. Moreover, spacing between homeologous genes was also conserved. TE content around genes is very different from the TE space comprising large intergenic regions and families that are enriched or depleted from gene promoters are the same in the three subgenomes. Conclusions: The chromosome-scale assembly of the wheat genome provided an unprecedented genome-wide view of the organization and impact of TEs in such a complex genome. Our results suggest that TEs play a role at the structural level and that the overall chromatin structure is likely under selection pressure.

Pangenomes are collections of annotated genome sequences of multiple individuals of a species. The structural variants uncovered by these datasets are a major asset to genetic analysis in crop plants. Here, we report a pangenome of barley comprising long-read sequence assemblies of 76 wild and domesticated genomes and short-read sequence data of 1,315 genotypes. An expanded catalogue of sequence variation in the crop includes structurally complex loci that have become hot spots of gene copy number variation in evolutionarily recent times. To demonstrate the utility of the pangenome, we focus on four loci involved in disease resistance, plant architecture, nutrient release, and trichome development. Novel allelic variation at a powdery mildew resistance locus and population-specific copy number gains in a regulator of vegetative branching were found. Expansion of a family of starch-cleaving enzymes in elite malting barleys was linked to shifts in enzymatic activity in micro-malting trials. Deletion of an enhancer motif is likely to change the developmental trajectory of the hairy appendages on barley grains. Our findings indicate that rapid evolution at structurally complex loci may have helped crop plants adapt to new selective regimes in agricultural ecosystems.