Abstract Plant nucleotide-binding leucine-rich repeat immune receptors (NLRs) directly or indirectly recognize pathogen-secreted effector molecules to initiate plant defense. Recognition of multiple pathogens by a single NLR is rare and usually occurs via monitoring for changes to host proteins; few characterized NLRs have been shown to recognize multiple effectors. The barley NLR Mla has undergone functional diversification and Mla alleles recognize host-adapted isolates of barley powdery mildew ( Blumeria graminis f. sp. hordei; Bgh ). Here, we show that Mla3 also confers resistance to rice blast ( Magnaporthe oryzae ) in a dosage dependent manner. Using a forward genetic screen, we discovered that the recognized effector from M. oryzae is PWL2 , a host range determinant factor that prevents M. oryzae from infecting weeping lovegrass ( Eragrostis curvula ). Mla3 has therefore convergently evolved the capacity to recognize effectors from diverse pathogens.

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 Long-read technologies hold the promise to obtain more complete genome assemblies and to make them easier. Coupled with long-range technologies, they can reveal the architecture of complex regions, like centromeres or rDNA clusters. These technologies also make it possible to know the complete organization of chromosomes, which remained complicated before even when using genetic maps. However, generating a gapless and telomere-to-telomere assembly is still not trivial, and requires a combination of several technologies and the choice of suitable software. Here, we report a chromosome-scale assembly of a banana genome ( Musa acuminata ) generated using Oxford Nanopore long-reads. We generated a genome coverage of 177X from a single PromethION flowcell with near 17X with reads longer than 75Kb. From the 11 chromosomes, 5 were entirely reconstructed in a single contig from telomere to telomere, revealing for the first time the content of complex regions like centromeres or clusters of paralogous genes.

Abstract Gene cloning in repeat-rich polyploid genomes remains challenging. Here we describe a strategy for overcoming major bottlenecks in the cloning of the powdery mildew (Pm) resistance gene (R-gene) Pm69 derived from tetraploid wild emmer wheat (WEW). A conventional positional cloning approach encountered suppressed recombination due to structural variations, while chromosome sorting yielded an insufficient purity level. A Pm69 physical map, constructed by assembling ONT long-read genome sequences, revealed a rapidly evolving nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR) R-gene cluster. A single candidate NLR was identified within this cluster by anchoring RNASeq reads of susceptible mutants to ONT contigs and was validated by the virus-induced gene silencing (VIGS) approach. Pm69 , comprising Rx_N with RanGAP interaction sites, NB-ARC, and LRR domains, is probably a newly evolved NLR discovered only in one location across the WEW distribution range in the Fertile Crescent. Pm69 was successfully introgressed into durum and bread wheat, and a diagnostic molecular marker could be used to accelerate its deployment and pyramiding with other resistance genes.

Abstract The nutrient-rich tubers of the greater yam Dioscorea alata L. provide food and income security for millions of people around the world. Despite its global importance, however, greater yam remains an “orphan crop.” Here we address this resource gap by presenting a highly-contiguous chromosome-scale genome assembly of greater yam combined with a dense genetic map derived from African breeding populations. The genome sequence reveals an ancient lineage-specific genome duplication, followed by extensive genome-wide reorganization. Using our new genomic tools we find quantitative trait loci for susceptibility to anthracnose, a damaging fungal pathogen of yam, and several tuber quality traits. Genomic analysis of breeding lines reveals both extensive inbreeding as well as regions of extensive heterozygosity that may represent interspecific introgression during domestication. These tools and insights will enable yam breeders to unlock the potential of this staple crop and take full advantage of its adaptability to varied environments.

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 Background and Aims Three out of four RNA components of ribosomes are encoded by 45S rDNA loci, whose transcripts are processed into 18S, 5.8S and 26S ribosomal RNAs. The loci are organized as long head-to-tail tandem arrays of nearly identical units spanning over several megabases of sequence. Due to this peculiar structure, the number of rRNA genes, their sequence composition and expression status remain unclear, especially in complex polyploid genomes harbouring multiple loci. Here we conducted a complex study to decipher structure and activity of both major and minor rRNA loci in hexaploid bread wheat ( Triticum aestivum ). Methods We employed an original, multi-omics approach, combining chromosome flow sorting and optical mapping with transcriptome and methylome sequencing. Key Results The former two techniques enabled unbiased quantification of rDNA units in particular loci of the wheat genome. Total number of rRNA genes organized in tandem arrays was 4388, with 64.1, 31.4, 3.9 and 0.7% located in short arms of chromosomes 6B, 1B, 5D and 1A, respectively. At the expression level, only 1B and 6B loci contributed to transcription at roughly 2:1 ratio. The 1B:6B ratio varied among five analysed tissues (embryo, coleoptile, root tip, primary leaf, mature leaf), being the highest (2.64:1) in mature leaf and lowest (1.72:1) in coleoptile. Cytosine methylation was considerably higher in CHG contexts in the silenced 5D locus compared to the active 1B and 6B loci. Conclusions A fine genomic organization and tissue-specific expression of rRNA loci were deciphered, for the first time, in a complex polyploid species. We documented various mechanisms of rRNA dosage control, including gene elimination and stable inactivation related to nucleolar subdominance of A and D-genome loci, and a subtle, developmentally regulated silencing of one of the major loci. The results are discussed in the context of wheat evolution and transcription regulation.

Abstract Edible banana cultivars are diploid, triploid or tetraploid hybrids which originated by natural cross hybridization between subspecies of diploid Musa acuminata , or between M. acuminata and diploid M. balbisiana . Participation of two other wild diploid species M. schizocarpa and M. textilis was also indicated by molecular studies. Fusion of gametes with structurally different chromosome sets may give rise to progenies with structural chromosome heterozygosity and reduced fertility due to aberrant chromosome pairing and unbalanced chromosome segregation. Only a few translocations have been classified on the genomic level so far and a comprehensive molecular cytogenetic characterization of cultivars and species of the family Musaceae is still lacking. FISH with chromosome-arm specific oligo painting probes was used for comparative karyotype analysis in a set of wild Musa species and edible banana clones. The results revealed large differences in chromosome structure discriminating individual accessions. These results permitted identification of putative progenitors of cultivated clones and clarified genomic constitution and evolution of aneuploid banana clones, which seem to be common among the polyploid banana accessions. New insights into the chromosome organization and structural chromosome changes will be a valuable asset in breeding programs, particularly in selection of appropriate parents for cross hybridization. Highlight Oligo painting FISH revealed chromosomal translocations in subspecies of Musa acuminata (A genome), their intra-specific hybrids as well as in M. balbisiana (B genome) and in interspecific hybrid clones originating from cross hybridization between M. acuminata and M. balbisiana

Abstract In the evolution of land plants, the plant immune system has experienced expansion in immune receptor and signaling pathways. Lineage-specific expansions have been observed in diverse gene families that are potentially involved in immunity, but lack causal association. Here, we show that Rps8 -mediated resistance in barley to the fungal pathogen Puccinia striiformis f. sp. tritici (wheat stripe rust) is conferred by a genetic module: LRR-RK and Exo70FX12 , which are together necessary and sufficient. The Rps8 LRR-RK is the ortholog of rice extracellular immune receptor Xa21 and Exo70FX12 is a member of the Poales-specific Exo70FX clade. The Exo70FX clade emerged after the divergence of the Bromeliaceae and Poaceae, and comprises from 2 to 75 members in sequenced grasses. These results demonstrate the requirement of a lineage-specific Exo70FX12 in Rps8 LRR-RK immunity and suggest that the Exo70FX clade may have evolved a specialized role in receptor kinase signaling.

Abstract Across domains of biological research using genome sequence data, high-quality reference genome sequences are essential for characterizing genetic variation and understanding the genetic basis of phenotypes. However, the construction of genome assemblies for various species is often hampered by complexities of genome organization, especially repetitive and complex sequences, leading to mis-assembly and missing regions. Here, we describe a high-throughput gold standard genome assembly workflow using a large-scale bacterial artificial chromosome (BAC) library with a refined two-step pooling strategy and the Lamp assembler algorithm. This strategy minimizes the laborious processes of physical map construction and clone-by-clone sequencing, enabling inexpensive sequencing of several thousand BAC clones. By applying this strategy with a minimum tiling path BAC clone library for the short arm of chromosome 2D (2DS) of bread wheat, 98% of BAC sequences, covering 92.7% of the 2DS chromosome, were assembled correctly for this species with a highly complex and repetitive genome. We also identified 48 large mis-assemblies in the reference wheat genome assembly (IWGSC RefSeq v1.0) and corrected these large mis-assemblies in addition to filling 92.2% of the gaps in RefSeq v1.0. Our 2DS assembly represents a new benchmark for the assembly of complex genomes with both high accuracy and efficiency.