Pigeonpea is an important protein source in many developing countries, but limited genetic resources have constrained its improvement. The draft genome sequence of pigeonpea, the first for a nonindustrial crop and for a grain legume, should facilitate molecular breeding efforts to improve yields for subsistence farmers. Pigeonpea is an important legume food crop grown primarily by smallholder farmers in many semi-arid tropical regions of the world. We used the Illumina next-generation sequencing platform to generate 237.2 Gb of sequence, which along with Sanger-based bacterial artificial chromosome end sequences and a genetic map, we assembled into scaffolds representing 72.7% (605.78 Mb) of the 833.07 Mb pigeonpea genome. Genome analysis predicted 48,680 genes for pigeonpea and also showed the potential role that certain gene families, for example, drought tolerance–related genes, have played throughout the domestication of pigeonpea and the evolution of its ancestors. Although we found a few segmental duplication events, we did not observe the recent genome-wide duplication events observed in soybean. This reference genome sequence will facilitate the identification of the genetic basis of agronomically important traits, and accelerate the development of improved pigeonpea varieties that could improve food security in many developing countries.

Legumes and many nonleguminous plants enter symbiotic interactions with microbes, and it is poorly understood how host plants respond to promote beneficial, symbiotic microbial interactions while suppressing those that are deleterious or pathogenic. Trans -acting siRNAs (tasiRNAs) negatively regulate target transcripts and are characterized by siRNAs spaced in 21-nucleotide (nt) “phased” intervals, a pattern formed by DICER-LIKE 4 (DCL4) processing. A search for phased siRNAs (phasiRNAs) found at least 114 Medicago loci, the majority of which were defense-related NB-LRR-encoding genes. We identified three highly abundant 22-nt microRNA (miRNA) families that target conserved domains in these NB-LRR s and trigger the production of trans -acting siRNAs. High levels of small RNAs were matched to >60% of all ∼540 encoded Medicago NB-LRRs; in the potato, a model for mycorrhizal interactions, phasiRNAs were also produced from NB-LRR s. DCL2 and SGS3 transcripts were also cleaved by these 22-nt miRNAs, generating phasiRNAs, suggesting synchronization between silencing and pathogen defense pathways. In addition, a new example of apparent “two-hit” phasiRNA processing was identified. Our data reveal complex tasiRNA-based regulation of NB-LRR s that potentially evolved to facilitate symbiotic interactions and demonstrate miRNAs as master regulators of a large gene family via the targeting of highly conserved, protein-coding motifs, a new paradigm for miRNA function.

Abiotic stresses are an outcome of global climate change and have a direct influence on the crop plants which further have adverse effects on the yields. Plant metabolites, both primary and secondary, are affected by these environmental adversities and their assessment can give a clear picture of stress tolerance abilities of the plants. Legumes are consumed worldwide and have high dependency for nutritional requirement due to their high health benefits. These plants are chief sources of proteins as well as produce high levels of secondary metabolites which add to their economic importance. Plant metabolites, other than being a source of nutrition, also have proven to assist in stress tolerance. Primary metabolites in plants, chiefly carbohydrates, have been studied extensively for their roles in osmotic regulation in relation to abiotic stress management. Similarly, various enzymes, which are proteinaceous in nature, act as antioxidants and are actively involved in defence against various types of stresses. Secondary metabolites including phenolics, flavonoids, various alkaloids, carotenoids are actively involved in inducing tolerance against stressful conditions. The chapter highlights the roles of various plant metabolites, both primary and secondary, in leguminous plants playing important roles in improving tolerance of these plants thereby opening new avenues for plant metabolomic research in connection with abiotic stress protection.

Legumes are simultaneously one of the largest families of crop plants and a cornerstone in the biological nitrogen cycle. We combined molecular and phylogenetic analyses to evaluate genome conservation both within and between the two major clades of crop legumes. Genetic mapping of orthologous genes identifies broad conservation of genome macrostructure, especially within the galegoid legumes, while also highlighting inferred chromosomal rearrangements that may underlie the variation in chromosome number between these species. As a complement to comparative genetic mapping, we compared sequenced regions of the model legume Medicago truncatula with those of the diploid Lotus japonicus and the polyploid Glycine max . High conservation was observed between the genomes of M. truncatula and L. japonicus , whereas lower levels of conservation were evident between M. truncatula and G. max . In all cases, conserved genome microstructure was punctuated by significant structural divergence, including frequent insertion/deletion of individual genes or groups of genes and lineage-specific expansion/contraction of gene families. These results suggest that comparative mapping may have considerable utility for basic and applied research in the legumes, although its predictive value is likely to be tempered by phylogenetic distance and genome duplication.

Abstract Faba bean is a widely adapted and high-yielding legume cultivated for its protein-rich seeds 1 . However, the seeds accumulate the anti-nutritional pyrimidine glucosides vicine and convicine, which can cause haemolytic anaemia—favism—in the 400 million individuals genetically predisposed by a deficiency in glucose-6-phosphate dehydrogenase 2 . Here, we identify the first enzyme associated with vicine and convicine biosynthesis, which we name VC1. We show that VC1 co-locates with the major QTL for vicine and convicine content and that the expression of VC1 correlates highly with vicine content across tissues. We also show that low-vicine varieties express a version of VC1 carrying a small, frame-shift insertion, and that overexpression of wild-type VC1 leads to an increase in vicine levels. VC1 encodes a functional GTP cyclohydrolase II, an enzyme normally involved in riboflavin biosynthesis from the purine GTP. Through feeding studies, we demonstrate that GTP is a precursor of vicine both in faba bean and in the distantly related plant bitter gourd. Our results reveal an unexpected biosynthetic origin for vicine and convicine and pave the way for the development of faba bean cultivars that are free from these anti-nutrients, providing a safe and sustainable source of dietary protein.

Abstract Chocolate spot (CS), caused by Botrytis fabae Sard., is an important threat to global faba bean production. Growing resistant faba bean cultivars is, therefore, paramount to preventing yield loss. To date, there have been no reported quantitative trait loci (QTLs) associated with CS resistance in faba bean. The objective of this study was to identify genomic regions associated with CS resistance using a recombinant inbred line (RIL) population derived from resistant accession ILB 938. A total of 165 RILs from the cross Mélodie/2 × ILB 938/2 were genotyped and evaluated for CS reactions under replicated controlled climate conditions. QTL analysis identified five loci contributing to CS resistance on faba bean chromosomes 1 and 6, accounting for 5.0–23.4% of the total phenotypic variance. The sequences of SNP markers linked to resistance QTLs on chromosome 1 that have the largest effects encode multiple classes of putative disease and/or defense-related genes. The results of this study not only provide insight into disease-resistance QTLs, but also can be used as potential targets for marker-assisted breeding in faba bean genetic improvement for CS resistance. Key message QTL mapping identified key genomic regions associated with chocolate spot resistance on faba bean chromosomes 1 and 6, which may serve as novel genetic tools to develop disease-resistant faba bean cultivars.

Summary Lentil ( Lens culinaris Medik.) is cultivated under a wide range of environmental conditions, which led to diverse phenological adaptations and resulted in a decrease in genetic variability within breeding programs due to reluctance in using genotypes from other environments. We phenotyped 324 genotypes across nine locations over three years to assess their phenological response to the environment of major lentil production regions and to predict days from sowing to flowering (DTF) using a photothermal model. DTF was highly influenced by the environment and is sufficient to explain adaptation. We were able to predict DTF reliably in most environments using a simple photothermal model, however, in certain site-years, results suggest there may be additional environmental factors at play. Hierarchical clustering of principal components revealed the presence of eight groups based on the responses of DTF to contrasting environments. These groups are associated with the coefficients of the photothermal model and revealed differences in temperature and photoperiod sensitivity. Expanding genetic diversity is critical to the success of a breeding program; understanding adaptation will facilitate the use of exotic germplasm. Future climate change scenarios will result in increase temperature and/or shifts in production areas, we can use the photothermal model to identify genotypes most likely to succeed in these new environments.

Abstract A validated method for B vitamin separation and quantification from lentil seeds using ultra-performance liquid chromatography-selected reaction monitoring mass spectrometry (UPLC-SRM MS) was reported. The use of three enzymes (acid phosphatase, β-glucosidase, and rat serum) with a 4 h incubation was sufficient to convert bound B vitamins into their free forms. Twenty B vitamers were selected and a 5-min UPLC-SRM MS method was optimized for rapid analysis. This method was applied to quantify B vitamin concentration during lentil seed germination over a 5-day period. Total B vitamins increased up to 1.5-fold on day 5 (from 39.2 µg/g to 60.6 µg/g of dry weight) comparing with dry seeds. Vitamin B5 (pantothenic acid) was the most abundant B vitamin in both dry seeds (34.2%) and in germinated seeds (17.7%-24.5% of total B vitamins); B8 (biotin) and B12 (cyanocobalamin) were not detected in lentil samples.

ABSTRACT Anthracnose, caused by Colletotrichum lentis , is a devastating disease of lentil in Western Canada. Growing resistant lentil cultivars is the most cost-effective and environmentally friendly approach to prevent seed yield losses that can exceed 70%. To identify loci conferring resistance to anthracnose race 1 in lentil, biparental quantitative trait loci (QTL) mapping of two recombinant inbred line (RIL) populations was integrated with a genome-wide association study (GWAS) using 200 diverse lentil accessions from a lentil diversity panel (LDP). A major-effect QTL ( qAnt 1. Lc -3) conferring resistance to race 1 was mapped to lentil chromosome 3 and co-located on the lentil physical map for both RIL populations. Clusters of candidate nucleotide binding-leucine-rich repeats (NB-LRR) and other defense-related genes were uncovered within the QTL region. A GWAS detected 14 significant SNP markers associated with race 1 resistance on chromosomes 3, 4, 5, and 6. The most significant GWAS SNPs on chromosome 3 supported qAnt 1. Lc -3 and delineated a region of 1.6 Mb containing candidate resistance genes. The identified SNP markers can be directly applied in marker-assisted selection to accelerate the introgression of race 1 resistance in lentil breeding.

Abstract Increasing faba bean production is indispensable to supply the growing demand for plant-based protein on the global scale. A thorough understanding of genotype (G) × environment (E) interaction (GEI) patterns is critical to developing high-yielding varieties with wider adaptation. Thirteen faba bean genotypes were evaluated in 15 environments during 2019–2020 in western Canada to estimate their yield stability using different stability statistics. The combined analysis of variance and additive main effects and multiplicative interaction (AMMI) analysis revealed that G, E, and GEI effects were highly significant ( P <0.001), indicating differential responses of the genotypes across the environments, enabling the stability analysis. The result of the model comparison found the best linear unbiased prediction (BLUP) to outperform AMMI models. The BLUP-based biplot of the weighted average of absolute scores (WAASB) stability and mean grain yield identified AO1155 (Navi), 1089-1-2, 1310-5, DL Tesoro, and 1239-1 as high-yielding and stable genotypes. The correlation analysis revealed that most of the stability parameters had a strong association with grain yield and with each other, indicating that they should be used in combination with one another to select genotypes with high yield. Overall, the WAASB superiority index (WAASBY) and the average sum of ranks of all stability statistics identified the same genotypes in terms of high yielding and stability, and genotype AO1155 is considered the most stable and highest yielding among the tested genotypes. Genotypes with stable yields across environments would be beneficial for faba bean genetic improvement programs globally. Core Ideas Stability analysis was estimated using 13 faba bean genotypes over 15 site-years. The different stability methods described genotypic performance in different ways. The majority of stability models showed a strong rank correlation with grain yield. AMMI and BLUP analyses revealed a highly significant G×E interaction, with BLUP outperforming AMMI. Overall, the employed stability statistics identified AO1155 as the highest yielding and most stable genotype.