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 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 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.

Abstract The first gapless, telomere-to-telomere (T2T) sequence assemblies of plant chromosomes were reported recently. However, sequence assemblies of most plant genomes remain fragmented. Only recent breakthroughs in accurate long-read sequencing have made it possible to achieve highly contiguous sequence assemblies with a few tens of contigs per chromosome, i.e. a number small enough to allow for a systematic inquiry into the causes of the remaining sequence gaps and the approaches and resources needed to close them. Here, we analyze sequence gaps in the current reference genome sequence of barley cv. Morex (MorexV3). Optical map and sequence raw data, complemented by ChIP-seq data for centromeric histone variant CENH3, were used to estimate the abundance of centromeric, ribosomal DNA and subtelomeric repeats in the barley genome. These estimates were compared with copy numbers in the MorexV3 pseudomolecule sequence. We found that almost all centromeric sequences and 45S ribosomal DNA repeat arrays were absent from the MorexV3 pseudomolecules and that the majority of sequence gaps can be attributed to assembly breakdown in long stretches of satellite repeats. However, missing sequences cannot fully account for the difference between assembly size and flow cytometric genome size estimates. We discuss the prospects of gap closure with ultra-long sequence reads.

Abstract In some species, the Y is a tiny chromosome but the dioecious plant Silene latifolia has a giant ∼550 Mb Y chromosome, which has remained unsequenced so far. Here we used a hybrid approach to obtain a high-quality male S. latifolia genome. Using mutants for sexual phenotype, we identified candidate sex-determining genes on the Y. Comparative analysis of the sex chromosomes with outgroups showed the Y is surprisingly rearranged and degenerated for a ∼11 MY-old system. Recombination suppression between X and Y extended in a stepwise process, and triggered a massive accumulation of repeats on the Y, as well as in the non-recombining pericentromeric region of the X, leading to giant sex chromosomes. One-Sentence Summary This work uncovers the structure, function, and evolution of one of the largest giant Y chromosomes, that of the model plant Silene latifolia , which is almost 10 times larger than the human Y, despite similar genome sizes.

We present a chromosome-scale annotated assembly of the rye (Secale cereale L. inbred line 'Lo7') genome, which we use to explore Triticeae genomic evolution, and rye's superior disease and stress tolerance. The rye genome shares chromosome-level organization with other Triticeae cereals, but exhibits unique retrotransposon dynamics and structural features. Crop improvement in rye, as well as in wheat and triticale, will profit from investigations of rye gene families implicated in pathogen resistance, low temperature tolerance, and fertility control systems for hybrid breeding. We show that rye introgressions in wheat breeding panels can be characterised in high-throughput to predict the yield effects and trade-offs of rye chromatin.

Barley (Hordeum vulgare L.) possesses a large and highly repetitive genome of 5.1 Gb that has hindered the development of a complete sequence. In 2012, the International Barley Sequencing Consortium released a resource integrating whole-genome shotgun sequences with a physical and genetic framework. However, since only 6,278 BACs in the physical map were sequenced, detailed fine structure was limited. To gain access to the gene-containing portion of the barley genome at high resolution, we identified and sequenced 15,622 BACs representing the minimal tiling path of 72,052 physical mapped gene-bearing BACs. This generated about 1.7 Gb of genomic sequence containing 17,386 annotated barley genes. Exploration of the sequenced BACs revealed that although distal ends of chromosomes contain most of the gene-enriched BACs and are characterized by high rates of recombination, there are also gene-dense regions with suppressed recombination. Knowledge of these deviant regions is relevant to trait introgression, genome-wide association studies, genomic selection model development and map-based cloning strategies. Sequences and their gene and SNP annotations can be accessed and exported via http://harvest-web.org/hweb/utilmenu.wc or through the software HarvEST:Barley (download from harvest.ucr.edu). In the latter, we have implemented a synteny viewer between barley and Aegilops tauschii to aid in comparative genome analysis.

Background: Numerous scaffold-level sequences for wheat are now being released and, in this context, we report on a strategy for improving the overall assembly to a level comparable to that of the human genome. Results: Using chromosome 7A of wheat as a model, sequence-finished megabase scale sections of this chromosome were established by combining a new independent assembly based on a BAC-based physical map, BAC pool paired end sequencing, chromosome arm specific mate-pair sequencing and Bionano optical mapping with the IWGSC RefSeq v1.0 sequence and its underlying raw data. The combined assembly results in 18 super-scaffolds across the chromosome. The value of finished genome regions is demonstrated for two approximately 2.5 Mb regions associated with yield and the grain quality phenotype of fructan carbohydrate grain levels. In addition, the 50 Mb centromere region analysis incorporates cytological data highlighting the importance of non-sequence data in the assembly of this complex genome region. Conclusions: Sufficient genome sequence information is shown to be now available for the wheat community to produce sequence-finished releases of each chromosome of the reference genome. The high-level completion identified that an array of seven fructosyl transferase genes underpins grain quality and yield attributes are affected by five f-box-only-protein-ubiquitin ligase domain and four root-specific lipid transfer domain genes. The completed sequence also includes the centromere.