Unmanned aerial vehicles (UAVs) have been widely applied in civilian and military applications due to their high autonomy and strong adaptability. Although UAVs can achieve effective cost reduction and flexibility enhancement in the development of large-scale systems, they result in a serious path planning and task allocation problem. Coverage path planning, which tries to seek flight paths to cover all of regions of interest, is one of the key technologies in achieving autonomous driving of UAVs and difficult to obtain optimal solutions because of its NP-Hard computational complexity. In this paper, we study the coverage path planning problem of autonomous heterogeneous UAVs on a bounded number of regions. First, with models of separated regions and heterogeneous UAVs, we propose an exact formulation based on mixed integer linear programming to fully search the solution space and produce optimal flight paths for autonomous UAVs. Then, inspired from density-based clustering methods, we design an original clustering-based algorithm to classify regions into clusters and obtain approximate optimal point-to-point paths for UAVs such that coverage tasks would be carried out correctly and efficiently. Experiments with randomly generated regions are conducted to demonstrate the efficiency and effectiveness of the proposed approach.

ABSTRACT Embryogenesis represents the beginning of life cycle, but our understanding of the regulatory circuitry in plants is far lagged to animals. Here, we draw a transcriptome trajectory and chromatin landscape profile during embryogenesis of most cultivated crop hexaploid wheat, highlighting large-scale chromatin reconfiguration and distinct proximal and distal transcriptional regulation in defining cell fate transition. Upon fertilization, H3K27ac and H3K4me3 resetting were correlated with maternal genome silence, while de novo building of chromatin accessibility activated zygotic genome. Global depletion of H3K27me3 in pre-embryo results in a permissive chromatin environment with gain-of-chromatin accessibility, allowing subsequent hierarchical cis- and trans-regulation network mediated by key factors, such as LEC1, MYB, ZHD, LEC2, governing embryo pattern formation. By contrast, H3K27me3 restoration coordinating with chromatin compaction in developmental genes attenuated totipotency and prohibited extensive organogenesis during embryo maturation. In addition, dynamic biased expression of homeolog triads and diverse expression profiles after polyploidization were observed. This is correlated with asymmetric transposon elements insertion in accessible proximal and distal regions. Thus, our study revealed a plant-specific chromatin reprogramming process in facilitating the hierarchical transcription regulation circuits mediated “inverse hourglass model” and unveiled epigenetic regulation of evolutionary divergence among different sub-genome in shaping embryogenesis in polyploidy wheat.

Abstract The spike architecture of wheat plays a crucial role in determining grain number, making it a key trait to optimize in wheat breeding programs. In this study, through a multi-omic approach, we analyzed the transcriptome and epigenome profiles of the shoot apex at eight developmental stages, revealing coordinated changes in chromatin accessibility and H3K27me3 abundance during the flowering transition. We constructed a core transcriptional regulatory network (TRN) that drives wheat spike formation, and experimentally validated a multi-layer regulatory module involving TaSPL15, TaAGLG1, and TaFUL2. By integrating the TRN with genome-wide association analysis (GWAS), we identified 227 transcription factors (TFs), including 42 with known functions and 185 with unknown functions. Further investigation of 61 novel TFs using multiple homozygous mutant lines uncovered 36 TFs with altered spike architecture or flowering time, such as TaMYC2-A1, TaMYB30-A1, and TaWRKY37-A1. Of particular interest, TaMYB30-A1, downstream and repressed by WFZP, was found to regulate fertile spikelet number. Notably, during the domestication and breeding process in China, the excellent haplotype of TaMYB30-A1 containing a C allele at the WFZP binding site was enriched, leading to improved agronomic traits. Our study presents novel and high-confidence regulators and offers an effective strategy for understanding the genetic basis of wheat spike development, with practical impact for wheat breeding applications.

Abstract The breeding of crops with improved nitrogen use efficiency (NUE) is crucial for sustainable agriculture. However, the role of epigenetic modification in the regulation of cultivar-specific responses to low nitrogen (LN) constraint is not well understood. Here, we analyzed the chromatin landscapes in roots, leaves, and seeds in two wheat cultivars (KN9204 and J411) that differ radically in NUE under normal and nitrogen-limited conditions. Transcriptional regulatory chromatin regions exhibited a clear cultivar-specificity between KN9204 and J411. Cultivar-specific regulation of nitrogen metabolism genes (NMGs) is linked to variation in histone modification levels, rather than differences in DNA sequence. Cultivar-specific histone modification regions were found to contribute to the genetic regulation of NUE-related traits, such as QTL locus of maximum root length of qMRL-7B. Furthermore, LN-induced H3K27ac and H3K27me3 dynamics enhanced root growth more in KN9204, while strengthened the nitrogen uptake system more in J411. Evidence from histone deacetylase inhibitor treatment and transgenic plants with loss-of-function of the H3K27me3 methyltransferase further showed that changes in epigenetic modifications can alter the strategy for root development and nitrogen uptake in response to LN constraint. Taken together, the results of our study highlight the importance of epigenetic regulation in mediating cultivar-specific root development and metabolic adaptation to LN in wheat.

Starch content and seed storage protein (SSP) composition are critical factors influencing wheat grain yield and quality. To uncover the molecular mechanisms governing their biosynthesis, we conducted transcriptome and epigenome profiling across key endosperm developmental stages, revealing that chromatin accessibility, H3K27ac, and H3K27me3 collectively regulate SSP and starch genes with varying impact. Population transcriptome and phenotype analyses highlighted the crucial role of accessible promoter regions as a genetic variation resource, influencing grain yield and quality in a core collection of wheat accessions. By integrating time-serial RNA-seq and ATAC-seq data, we constructed a hierarchical transcriptional regulatory network (TRN) governing starch and SSP biosynthesis, identifying 42 high-confidence novel candidates. These candidates exhibited overlap with genetic regions associated with grain size and quality traits, and their functional significance was validated through expression-phenotype association analysis among wheat accessions and TILLING mutants. In-depth functional analysis of wheat abscisic acid insensitive 3-A1 (TaABI3-A1) with genome editing knock-out lines demonstrated its role in promoting SSP accumulation while repressing starch biosynthesis through transcriptional regulation. An elite haplotype of TaABI3-A1 with higher grain weight was identified during the breeding process in China, and its superior trait was associated with altered TaABI3-A1 expression levels. Additionally, we identified the potential upstream regulator, wheat GAGA-binding transcription factor 1 (TaGBP1), influencing TaABI3-A1 expression. Our study provides novel and high-confidence regulators, presenting an effective strategy for understanding the regulation of SSP and starch biosynthesis and contributing to breeding enhancement.

Parallel application scheduling with deadline constraints is a crucial area in distributed heterogeneous systems, and various methodologies have been proposed. However, these approaches overlook the uncertainty of task execution times and the randomness of application arrivals. Therefore, this study aims to solve the online scheduling problem of parallel applications with deadline constraints by introducing a novel algorithm that addresses uncertainties. We develop a model for randomly arriving applications and introduce a dynamic task prioritization strategy to mitigate uncertainty. Additionally, we augment with a discard mechanism to bolster application success rates. We conducted nine groups of experiments using both randomly generated applications and real-world applications. Simulation results demonstrate that the proposed algorithm significantly outperforms three similar algorithms in terms of enhancing DAG success rate, resource utilization, and runtime efficiency.

The evolution of bread wheat (Triticum aestivum) is distinctive in that domestication, natural hybridization, and allopolyploid speciation have all had significant effects on the diversification of its genome. Wheat was spread around the world by humans and has been cultivated in China for ~4,600 years. Here, we report a comprehensive assessment of the evolution of wheat based on the genome-wide resequencing of 120 representative landraces and elite wheat accessions from China and other representative regions. We found substantially higher genetic diversity in the A and B subgenomes than in the D subgenome. Notably, the A and B subgenomes of the modern Chinese elite cultivars were mainly derived from European landraces, while Chinese landraces had a greater contribution to their D subgenomes. The duplicated copies of homoeologous genes from the A, B, and D subgenomes were commonly found to be under different levels of selection. Our genome-wide assessment of the genetic changes associated with wheat breeding in China provides new strategies and practical targets for future breeding.

Abstract The endosperm in cereal grains is instrumental in determining grain yield and seed quality, as it controls the production of starch and protein. In this study, we identified a specific TaNF-Y trimeric complex, consisting of TaNF-YA3-D, TaNF-YB7-B, and TaNF-YC6-B, exhibiting robust expression within endosperm during grain filling stage in wheat. Knock-down of either TaNF-YA3 or TaNF-YC6 led to less starch but more gluten proteins. Detailed analyses have unveiled that the TaNF-Y indirectly boosts starch biosynthesis genes by reducing TaNAC019, a repressor of TaAGPS1a, TaSuS2 , thereby regulating starch biosynthesis. Conversely, the TaNF-Y directly inhibits the expression of gliadin and low molecular weight (LMW)-GS coding genes, including TaGli-γ-700 and TaLMW-400 . Furthermore, the TaNF-Y components interact with TaSWN, the histone methyltransferase subunit of Polycomb repressive complex 2 (PRC2), to repress the expression of TaNAC019 , TaGli-γ-700 , and TaLMW-400 through H3K27me3 modification. Notably, weak mutation of TaFIE , core subunit of PRC2, has reduced starch but elevated gliadin and LMW-GS levels. Intriguingly, DNA variations of TaNF-Y components are widely associated with seed developmental traits. In particular, variation within the coding region of TaNF-YB7-B is linked to differences in starch and protein content. Distinct haplotypes of TaNF-YB7-B affect its interaction with TaSWN, influencing the repression of targets like TaNAC019 and TaGli-γ-700 . Our findings illuminate the intricate molecular mechanisms governing epigenetic regulation by the TaNF-Y-PRC2 for wheat endosperm development. Manipulating the TaNF-Y complex holds potential for optimizing grain yield and enhancing quality.