The use of DNA sequence-based comparative genomics for evolutionary studies and for transferring information from model species to crop species has revolutionized molecular genetics and crop improvement strategies. This study compared 4485 expressed sequence tags (ESTs) that were physically mapped in wheat chromosome bins, to the public rice genome sequence data from 2251 ordered BAC/PAC clones using BLAST. A rice genome view of homologous wheat genome locations based on comparative sequence analysis revealed numerous chromosomal rearrangements that will significantly complicate the use of rice as a model for cross-species transfer of information in nonconserved regions.

Abstract Because of the huge size of the common wheat (Triticum aestivum L., 2n = 6x = 42, AABBDD) genome of 17,300 Mb, sequencing and mapping of the expressed portion is a logical first step for gene discovery. Here we report mapping of 7104 expressed sequence tag (EST) unigenes by Southern hybridization into a chromosome bin map using a set of wheat aneuploids and deletion stocks. Each EST detected a mean of 4.8 restriction fragments and 2.8 loci. More loci were mapped in the B genome (5774) than in the A (5173) or D (5146) genomes. The EST density was significantly higher for the D genome than for the A or B. In general, EST density increased relative to the physical distance from the centromere. The majority of EST-dense regions are in the distal parts of chromosomes. Most of the agronomically important genes are located in EST-dense regions. The chromosome bin map of ESTs is a unique resource for SNP analysis, comparative mapping, structural and functional analysis, and polyploid evolution, as well as providing a framework for constructing a sequence-ready, BAC-contig map of the wheat genome.

As the staple food for 35% of the world's population, wheat is one of the most important crop species. To date, sequence-based tools to accelerate wheat improvement are lacking. As part of the international effort to sequence the 17–billion–base-pair hexaploid bread wheat genome (2 n = 6 x = 42 chromosomes), we constructed a bacterial artificial chromosome (BAC)–based integrated physical map of the largest chromosome, 3B, that alone is 995 megabases. A chromosome-specific BAC library was used to assemble 82% of the chromosome into 1036 contigs that were anchored with 1443 molecular markers, providing a major resource for genetic and genomic studies. This physical map establishes a template for the remaining wheat chromosomes and demonstrates the feasibility of constructing physical maps in large, complex, polyploid genomes with a chromosome-based approach.

Abstract Advances in sequencing technologies as well as development of algorithms and workflows have made it possible to generate fully phased genome references for organisms with non-haploid genomes such as dikaryotic rust fungi. To enable discovery of pathogen effectors and further our understanding of virulence evolution, we generated a chromosome-scale assembly for each of the two nuclear genomes of the oat crown rust pathogen, Puccinia coronata f. sp. avenae ( Pca ). This resource complements two previous released partially phased genome references of Pca , which display virulence traits absent in the isolate of historic race 203 (isolate Pca 203) which was selected for this genome project. A fully phased, chromosome-level reference for Pca 203 was generated using PacBio reads and Hi-C data and a recently developed pipeline named NuclearPhaser for phase assignment of contigs and phase switch correction. With 18 chromosomes in each haplotype and a total size of 208.10 Mbp, Pca 203 has the same number of chromosomes as other cereal rust fungi such as Puccinia graminis f. sp. tritici and Puccinia triticina , the causal agents of wheat stem rust and wheat leaf rust, respectively. The Pca 203 reference marks the third fully-phased chromosome-level assembly of a cereal rust to date. Here, we demonstrate that the chromosomes of these three Puccinia species are syntenous and that chromosomal size variations are primarily due to differences in repeat element content.

ABSTRACT Distribution of meiotic recombination events in plants has been associated with local chromatin and DNA characteristics, chromosome landmark proximity, and other features 1-7 . However, relative importance of these characteristics is unclear and it is unknown if they are sufficient to unambiguously determine recombination landscape 8 . Here, we analyzed over 40 DNA sequence, chromatin, and chromosome location features of maize and Arabidopsis recombination sites using machine learning 9,10 . We discovered that a combination of just three features, CG methylation, CHG methylation, and nucleosome occupancy, enabled identification of exact crossover site with 90% accuracy. These results imply redundancy of most recombination site characteristics. Recombination takes place in a small fraction of the genome with chromatin features distinct from those of genome at large. Surprisingly, crossover sites show elevated heterochromatin histone marks despite low DNA methylation. Crossover site features show broad evolutionary conservation, which will enable creating genetic maps in species where conventional mapping is unfeasible.

Abstract Basidiomycetes like rust fungi have complex reproductive cycles and dikaryotic life stages which influence their population structure and evolution. Puccinia coronata f. sp. avenae ( Pca ), the causal agent of oat crown rust, is a pathogen of global economic importance. To investigate the genetic diversity of the species, as well as the role of mating type system and nuclear exchange (somatic hybridization) in host adaptation of Pca we acquired whole genome sequencing data of Taiwanese and Australian isolates, adding to existing data for USA and South African populations. An atlas of 30 chromosome-level, fully-phased nuclear haplotypes from six USA isolates and nine Australian isolates was generated to capture the genomic composition of key oat crown rust lineages. This study provides evidence of nuclear exchange and recombination of haplotypes in both the USA and Australian Pca populations as mechanisms for the introduction of genetic diversity. The limitations of assuming clonal evolutionary history from virulence phenotyping is demonstrated by the detection of either sexual or cryptic genetic recombination in the Pca Australian population. Overall, the characterization of intercontinental migration of Pca at the haplotype level provides further impetus for molecular monitoring of rust pathogen populations on a global scale.

Abstract Oat is a minor forage crop grown in Taiwan. Only a few historical records of oat rust disease have been reported in the country, therefore the pathogen population remains poorly characterized. A rust-like disease outbreak was detected at the Experimental Farm of National Taiwan University in 2019, which caused significant damage to the field experiments. To determine the identity of the pathogen responsible for this disease outbreak, we collected infected foliar material. Disease signs suggested infection by the oat crown rust fungus. Hence, common procedures in rust pathology were applied to confirm the identity of the pathogen with phenotypic and molecular diagnostic techniques. A total of 50 field samples from infected oat cultivars were collected in 2019 and five rust isolates were purified in 2020 and 2021. Phylogenetic analysis based on ITS sequences indicated that the pathogen was likely Puccinia coronata f. sp. avenae ( Pca ), which was further supported by the placement of Taiwanese isolate NTU-01 with other Pca representatives in a phylogenetic tree of Basidiomycete fungi. Phenotyping assays across 36 oat differential lines demonstrated that Taiwanese isolates are phenotypically similar with relatively limited virulence. This study presents the first molecular confirmation of Pca in Taiwan and reports the virulence profiles of Taiwanese Pca population.

SUMMARY In most crops, including maize, meiotic double-strand breaks (DSBs) occur in all chromosome regions but crossovers (COs) are predominantly near chromosome ends. To understand how the uniform DSB distribution changes into the U-shaped CO distribution, we generated high-resolution maps of CO intermediates. We found that DSBs with medium resection spans more often result in COs than those with shorter or longer resections. We also discovered that sites of CO intermediates associated with MLH3 in zygotene are uniformly distributed along chromosomes, resembling DSB distribution. However, in late prophase, they show the U-shaped distribution characteristic of COs. While zygotene MLH3 sites exhibit methylation levels similar to the genome average, late prophase sites have reduced DNA methylation. In contrast to DNA methylation, inter-parental DNA sequence polymorphism has limited effect on CO distribution. These data indicate that the final CO landscape shape in maize is established late during recombination and controlled by chromatin state.

Abstract Puccinia coronata f. sp. avenae ( Pca ) is the causal agent of the disease known as crown rust which represents a bottleneck in oat production worldwide. Characterisation of pathogen populations often involves race (pathotype) assignments using differential sets, which are not uniform across countries. This study compared virulence profiles of 25 Pca isolates from Australia using two host differential sets, one from Australia and one from the USA. These differential sets were also genotyped using DArT sequencing technology. Phenotypic and genotypic discrepancies were detected on eight out of 29 common lines between the two sets, indicating that pathogen race assignments based on those lines are not comparable. To further investigate molecular markers that could assist in the stacking of rust resistance genes important for Australia, four published Pc91 -linked markers were validated across the differential sets and then screened across a collection of 150 oat cultivars. Drover, Aladdin, and Volta were identified as putative carriers of the Pc91 locus. This is the first report of the cultivar Volta as the carrier of Pc91 and demonstrates the value of implementing molecular markers to characterise materials in breeding pools of oat. Overall, our findings highlight the necessity of examining seed stocks using pedigree and molecular markers to ensure seed uniformity and bring robustness to surveillance methodologies.

Abstract Wheat is an important contributor to global food security, and further improvements are required to feed a growing human population. New functional genetics and genomics tools can help us to understand the function of different genes and to engineer beneficial changes. In this study, we used a promoter capture assay to sequence 2-kb regions upstream of all high-confidence annotated genes from 1,513 mutagenized plants from the tetraploid wheat variety Kronos. We identified 4.3 million induced mutations with an accuracy of 99.8%, resulting in a mutation density of 41.9 mutations per kb. We also remapped Kronos exome capture reads to Chinese Spring RefSeq v1.1, identified 4.7 million mutations, and predicted their effects on annotated genes. Using these predictions, we identified 59% more non-synonymous substitutions and 49% more truncation mutations than in the original study. To show the biological value of the new promoter dataset, we selected two mutations within the promoter of the VRN-A1 vernalization gene. Both mutations, located within transcription factor binding sites, significantly altered VRN-A1 expression, and one reduced the number of spikelets per spike. These publicly available sequenced mutant datasets provide rapid and inexpensive access to induced variation in the promoters and coding regions of most wheat genes. These mutations can be used to understand and modulate gene expression and phenotypes for both basic and commercial applications, where limited governmental regulations can facilitate deployment. These mutant collections, together with gene editing, provide valuable tools to accelerate functional genetic studies in this economically important crop. Significance Statement We sequenced 4.3 million induced mutations in the promoters and 4.7 million in the coding regions of most wheat genes. We also show how this public resource can be used to understand gene function, modulate gene expression, and generate changes in valuable wheat agronomic traits.