Xylan, a hemicellulosic component of the plant cell wall, is one of the most abundant polysaccharides in nature. In contrast to dicots, xylan in grasses is extensively modified by α-(1,2)– and α-(1,3)–linked arabinofuranose. Despite the importance of grass arabinoxylan in human and animal nutrition and for bioenergy, the enzymes adding the arabinosyl substitutions are unknown. Here we demonstrate that knocking-down glycosyltransferase (GT) 61 expression in wheat endosperm strongly decreases α-(1,3)–linked arabinosyl substitution of xylan. Moreover, heterologous expression of wheat and rice GT61s in Arabidopsis leads to arabinosylation of the xylan, and therefore provides gain-of-function evidence for α-(1,3)-arabinosyltransferase activity. Thus, GT61 proteins play a key role in arabinoxylan biosynthesis and therefore in the evolutionary divergence of grass cell walls.

Abstract Harnessing genetic diversity in major staple crops through the development of new breeding capabilities is essential to ensure food security 1 . Here we examined the genetic and phenotypic diversity of the A. E. Watkins landrace collection 2 of bread wheat ( Triticum aestivum ), a major global cereal, by whole-genome re-sequencing of 827 Watkins landraces and 208 modern cultivars and in-depth field evaluation spanning a decade. We found that modern cultivars are derived from two of the seven ancestral groups of wheat and maintain very long-range haplotype integrity. The remaining five groups represent untapped genetic sources, providing access to landrace-specific alleles and haplotypes for breeding. Linkage disequilibrium-based haplotypes and association genetics analyses link Watkins genomes to the thousands of identified high-resolution quantitative trait loci and significant marker–trait associations. Using these structured germplasm, genotyping and informatics resources, we revealed many Watkins-unique beneficial haplotypes that can confer superior traits in modern wheat. Furthermore, we assessed the phenotypic effects of 44,338 Watkins-unique haplotypes, introgressed from 143 prioritized quantitative trait loci in the context of modern cultivars, bridging the gap between landrace diversity and current breeding. This study establishes a framework for systematically utilizing genetic diversity in crop improvement to achieve sustainable food security.

Abstract Increasing dietary fibre (DF) intake is an important target to improve health and an attractive strategy for this is to increase the fibre content of staple foods, particularly white bread which is the staple food in many countries. DF in wheat white flour is derived principally from the endosperm cell wall polysaccharide arabinoxylan (AX) and the water-extractable form of this (WE-AX) accounts for the majority of soluble dietary fibre (SDF), which is believed to confer particular health benefits. We previously identified QTLs for soluble dietary fibre (SDF) on 1B and 6B chromosomes in wheat in biparental populations. Here we show that the 6B high SDF allele encodes a peroxidase protein (PER1-v) with a single missense compared to the more common low SDF form (PER1). Wheat lines with the natural PER1-v allele and with an induced knock-out mutation in PER1 showed similar characteristics of reduced dimerization of ferulate associated with water-extractable WE-AX. Decreased ferulate dimerization is associated with decreased cross-linking of the WE-AX chains and increased solubility of AX. Transiently expressed PER1_RFP fusion driven by native promoter in wheat endosperm was shown to localise to cell walls whereas PER1-v_RFP did not; we therefore propose that PER1-v lacks capacity to dimerise AX ferulate in vivo due to mis-localisation. PER1 is the first peroxidase reported to be responsible for oxidative coupling of ferulate on AX, a key process in all grass cell walls. Understanding its role and the effect of variants on AX properties offers a route to control the properties of wheat DF in the human diet.

Breeding crops resilient to climate change is urgently needed to help ensure food security. A key challenge is to harness genetic diversity to optimise adaptation, yield, stress resilience and nutrition. We examined the genetic and phenotypic diversity of the A.E. Watkins landrace collection of bread wheat (Triticum aestivum), a major global cereal, through whole-genome re-sequencing (827 Watkins landraces and 208 modern cultivars) and in-depth field evaluation spanning a decade. We discovered that modern cultivars are derived from just two of the seven ancestral groups of wheat, leaving five groups as previously untapped sources for breeding. This provides access to landrace-specific functional variations using structured germplasm, genotyping and informatics resources. Employing complementary genetic populations and approaches, we identified thousands of high-resolution quantitative trait loci (QTL) and significant marker-trait associations for major traits, revealing many Watkins-unique loci that can confer superior traits in modern wheat. Furthermore, we identified and functionally verified causative genes for climate-change adaptation, nutritional enhancement and resistance to wheat blast. Finally, we assessed the phenotypic effects of 44,338 Watkins-unique haplotypes, introgressed from 143 prioritised QTL in the context of modern cultivars, bridging the gap between landrace diversity and current breeding. This study establishes a framework for systematically utilising genetic diversity in crop improvement to achieve sustainable food security.

Dietary fibre (DF) has multiple health benefits, and wheat products are major sources of DF for human health. However, DF is depleted in white flour, which is most widely consumed, compared to wholegrain. The major type of DF in white wheat flour is the cell wall polysaccharide arabinoxylan (AX). Previous studies have identified the Chinese wheat cultivar Yumai 34 as having unusually high contents of AX in both water-soluble and insoluble forms. We have therefore used populations generated from crosses between Yumai 34 and four other wheat cultivars, three with average contents of AX (Ukrainka, Altigo and Claire) and one also having unusually high AX (Valoris), in order to map QTLs for soluble AX (determined as relative viscosity) of aqueous extracts of wholemeal flours) and total AX (determined by enzyme fingerprinting of white flour). A number of QTL were mapped, but most were only detected in one or two crosses. However, all four crosses showed strong QTLs for high RV/total AX on chromosome 1B, with Yumai 34 being the increasing parent, and a KASP marker for the high AX Yumai 34 allele was validated by analysis of high AX lines derived from Yumai 34 but selected by biochemical analysis. A QTL for RV was mapped on chromosome 6B in Yumai 34 x Valoris, with Valoris being the increasing allele, which was consistent with the observation of transgressive segregation for this trait. The data indicate that breeding can be used to develop wheat with high AX fibre in white flour.

Increasing the intake of dietary fiber from staple foods is a key strategy to improve the health of consumers. White bread is an attractive vehicle to deliver increased fiber as it is widely consumed and available to all socio-economic groups. However, fiber only accounts for about 4% of the dry weight of white flour and bread compared to 10-15% in whole grain bread and flour. We therefore discuss the challenges and barriers to developing and exploiting new types of wheat with high fiber content in white flour. These include defining and quantifying individual fiber components and understanding how they are affected by genetic and environmental factors. Rapid high throughput assays suitable for determining fiber content during plant breeding and in grain-utilizing industries are urgently required, while the impact of fiber amount and composition on flour processing quality needs to be understood. Overcoming these challenges should have significant effects on human health.

Sufficient dietary fiber consumption is associated with well-established health benefits, yet such intake is currently suboptimal globally. Thus, there is interest in developing strategies to improve dietary fiber intake. One such approach is to increase the dietary fiber content of staple foods, but this needs relevant investigation.