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 In flowering plants, successful germinal cell development and meiotic recombination depend upon a combination of environmental and genetic factors. To gain insights into this specialised reproductive development programme we used short- and long-read RNA-sequencing (RNA-seq) to study the temporal dynamics of transcript abundance in immuno-cytologically staged barley ( Hordeum vulgare ) anthers and meiocytes. We show that the most significant transcriptional changes occur at the transition from pre-meiosis to leptotene–zygotene, which is followed by largely stable transcript abundance throughout prophase I. Our analysis reveals that the developing anthers and meiocytes are enriched in long non-coding RNAs (lncRNAs) and that entry to meiosis is characterized by their robust and significant down regulation. Intriguingly, only 24% of a collection of putative meiotic gene orthologues showed differential transcript abundance in at least one stage or tissue comparison. Changes in the abundance of numerous transcription factors, representatives of the small RNA processing machinery, and post-translational modification pathways highlight the complexity of the regulatory networks involved. These developmental, time-resolved, and dynamic transcriptomes increase our understanding of anther and meiocyte development and will help guide future research. One sentence summary Analysis of RNA-seq data from meiotically staged barley anthers and meiocytes highlights the role of lncRNAs within a complex network of transcriptional and post-transcriptional regulation accompanied by a hiatus in differential gene expression during prophase I. The author responsible for distribution of materials integral to the findings presented in this article in accordance with the policy described in the Instructions for Authors ( www.plantcell.org ) is: Robbie Waugh ( robbie.waugh@hutton.ac.uk )

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 Allicin is a defence substance produced by garlic cells upon injury. It is a thiosulfinate showing redox-activity and a broad range of antimicrobial and biocidal activity. It is known that allicin efficiently oxidizes thiol-groups and it has been described as a redox toxin. In order to learn more about the effect of allicin on plants we used pure synthetized allicin, and investigated cytoplasmic streaming in sterile filaments of Tradescantia fluminensis , organelle movement using transgenic Arabidopsis with organelle-specifics GFP-tags, and effects on actin and tubulin in the cytoskeleton using GFP-tagged lines. Auxin distribution in roots was investigated using PIN1:GFP, PIN3:GFP, DR5:GFP and DII-VENUS Arabidopsis reporter lines. Allicin inhibited cytoplasmic streaming in T. fluminensis and organelle movement of peroxisomes and the Golgi apparatus in a concentration-dependent manner, inhibited root growth and destroyed the correct root tip distribution of auxin. We speculate that the cytoskeleton can be a primary “receptor” for allicin’s oxidizing properties and as a consequence cytoskeleton-dependent cellular processes are disrupted.

Using a positional candidate-gene approach we show that semi-sterile desynaptic8 mutants are associated with deletions in or of the barley homolog of XRCC2 (X-Ray Repair Cross Complementing 2). In barley XRCC2 mutants, the initial meiotic progression is normal, albeit with a small delay in initiation, with completion of synapsis. Subsequently, however, the absence of HvXRCC2 leads to a dramatic reduction in the number of crossovers, chromosome mis-segregation and infertility, suggesting that HvXRCC2 plays a major role in recombination. This mutant phenotype is congruent with that reported in mammalian studies but contrasts with the XRCC2 mutant in Arabidopsis which is fertile, exhibits normal chromosome pairing and correct chromosome segregation and is associated with an increased rate of crossovers. This study in barley indicates that the XRCC2 mutant phenotype in Arabidopsis is thus not representative of all plants and that XRCC2 is not a good candidate for the modulation of recombination in barley.

Background Time consuming computational assembly and quantification of gene expression and splicing analysis from RNA-seq data vary considerably. Recent fast non-alignment tools such as Kallisto and Salmon overcome these problems, but these tools require a high quality, comprehensive reference transcripts dataset (RTD), which are rarely available in plants.Results A high-quality, non-redundant barley gene RTD and database (Barley Reference Transcripts – BaRTv1.0) has been generated. BaRTv1.0, was constructed from a range of tissues, cultivars and abiotic treatments and transcripts assembled and aligned to the barley cv. Morex reference genome ([Mascher et al., 2017][1]). Full-length cDNAs from the barley variety Haruna nijo ([Matsumoto et al., 2011][2]) determined transcript coverage, and high-resolution RT-PCR validated alternatively spliced (AS) transcripts of 86 genes in five different organs and tissue. These methods were used as benchmarks to select an optimal barley RTD. BaRTv1.0-Quantification of Alternatively Spliced Isoforms (QUASI) was also made to overcome inaccurate quantification due to variation in 5’ and 3’ UTR ends of transcripts. BaRTv1.0-QUASI was used for accurate transcript quantification of RNA-seq data of five barley organs/tissues. This analysis identified 20,972 significant differentially expressed genes, 2,791 differentially alternatively spliced genes and 2,768 transcripts with differential transcript usage.Conclusion A high confidence barley reference transcript dataset consisting of 60,444 genes with 177,240 transcripts has been generated. Compared to current barley transcripts, BaRTv1.0 transcripts are generally longer, have less fragmentation and improved gene models that are well supported by splice junction reads. Precise transcript quantification using BaRTv1.0 allows routine analysis of gene expression and AS. [1]: #ref-34 [2]: #ref-36

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.

Abstract Barley genomic resources are increasing rapidly, with the publication of a barley pangenome as one of the latest developments. Two-row spring barley cultivars are intensely studied as they are the source of high-quality grain for malting and distilling. Here we provide data from a European two-row spring barley population containing 209 different genotypes registered for the UK market between 1830 to 2014. The dataset encompasses RNA-sequencing data from six different tissues across a range of barley developmental stages, phenotypic datasets from two consecutive years of field-grown trials in the United Kingdom, Germany and the USA; and whole genome shotgun sequencing from all cultivars, which was used to complement the RNA-sequencing data for variant calling. The outcomes are a filtered SNP marker file, a phenotypic database and a large gene expression dataset providing a comprehensive resource which allows for downstream analyses like genome wide association studies or expression associations.

Background: Barley ( Hordeum vulgare ) is one of the most important crops worldwide and is also considered a research model for the large-genome small grain temperate cereals. Despite genomic resources improving all the time, they are limited for the cv. Golden Promise, the most efficient genotype for genetic transformation. Findings: We have developed a barley cv. Golden Promise reference assembly integrating Illumina paired-end reads, long mate-pair reads, Dovetail Chicago in vitro proximity ligation libraries and chromosome conformation capture sequencing (Hi-C) libraries into a contiguous reference assembly. The assembled genome of 7 chromosomes and 4.13Gb in size, has a super-scaffold N50 after Chicago libraries of 4.14Mb and contains only 2.2% gaps. Using BUSCO (benchmarking universal single copy orthologous genes) as evaluation the genome assembly contains 95.2% of complete and single copy genes from the plant database. Conclusions: A high-quality Golden Promise reference assembly will be useful and utilised by the whole barley research community but will prove particularly useful for CRISPR-Cas9 experiments.