The genome sequence and its analysis of the diploid wild wheat Triticum urartu (progenitor of the wheat A genome) represent a tool for studying the complex, polyploid wheat genomes and should be a valuable resource for the genetic improvement of wheat. The hexaploid genome of bread wheat Triticum aestivum, designated AABBDD, evolved as a result of hybridization between three ancestral grasses. Two papers published in the issue of Nature present genome sequences and analysis of two of these wheat progenitors. First, the genome sequence of the diploid wild wheat T. urartu (ancestor of the A genome), which resembles cultivated wheat more strongly than either Aegilops speltoides (the B ancestor) or Ae. tauschii (the D donor). And second, the Ae. tauschii genome, together with an analysis of its transcriptome. These genomes and their analyses will be powerful tools for the study of complex, polyploid wheat genomes and a valuable resource for genetic improvement of wheat. Bread wheat (Triticum aestivum, AABBDD) is one of the most widely cultivated and consumed food crops in the world. However, the complex polyploid nature of its genome makes genetic and functional analyses extremely challenging. The A genome, as a basic genome of bread wheat and other polyploid wheats, for example, T. turgidum (AABB), T. timopheevii (AAGG) and T. zhukovskyi (AAGGAmAm), is central to wheat evolution, domestication and genetic improvement1. The progenitor species of the A genome is the diploid wild einkorn wheat T. urartu2, which resembles cultivated wheat more extensively than do Aegilops speltoides (the ancestor of the B genome3) and Ae. tauschii (the donor of the D genome4), especially in the morphology and development of spike and seed. Here we present the generation, assembly and analysis of a whole-genome shotgun draft sequence of the T. urartu genome. We identified protein-coding gene models, performed genome structure analyses and assessed its utility for analysing agronomically important genes and for developing molecular markers. Our T. urartu genome assembly provides a diploid reference for analysis of polyploid wheat genomes and is a valuable resource for the genetic improvement of wheat.

Enhancing global food security by increasing the productivity of green revolution varieties of cereals risks increasing the collateral environmental damage produced by inorganic nitrogen fertilizers. Improvements in the efficiency of nitrogen use of crops are therefore essential; however, they require an in-depth understanding of the co-regulatory mechanisms that integrate growth, nitrogen assimilation and carbon fixation. Here we show that the balanced opposing activities and physical interactions of the rice GROWTH-REGULATING FACTOR 4 (GRF4) transcription factor and the growth inhibitor DELLA confer homeostatic co-regulation of growth and the metabolism of carbon and nitrogen. GRF4 promotes and integrates nitrogen assimilation, carbon fixation and growth, whereas DELLA inhibits these processes. As a consequence, the accumulation of DELLA that is characteristic of green revolution varieties confers not only yield-enhancing dwarfism, but also reduces the efficiency of nitrogen use. However, the nitrogen-use efficiency of green revolution varieties and grain yield are increased by tipping the GRF4–DELLA balance towards increased GRF4 abundance. Modulation of plant growth and metabolic co-regulation thus enables novel breeding strategies for future sustainable food security and a new green revolution. The balance of DELLA and GRF4 proteins in plants ensures the co-regulation of growth with metabolism and tipping this balance towards GRF4 leads to higher efficiency of nitrogen use.

In crop plants, a high-density genetic linkage map is essential for both genetic and genomic researches. The complexity and the large size of wheat genome have hampered the acquisition of a high-resolution genetic map. In this study, we report a high-density genetic map based on an individual mapping population using the Affymetrix Wheat660K single-nucleotide polymorphism (SNP) array as a probe in hexaploid wheat. The resultant genetic map consisted of 119 566 loci spanning 4424.4 cM, and 119 001 of those loci were SNP markers. This genetic map showed good collinearity with the 90 K and 820 K consensus genetic maps and was also in accordance with the recently released wheat whole genome assembly. The high-density wheat genetic map will provide a major resource for future genetic and genomic research in wheat. Moreover, a comparative genomics analysis among gramineous plant genomes was conducted based on the high-density wheat genetic map, providing an overview of the structural relationships among theses gramineous plant genomes. A major stable quantitative trait locus (QTL) for kernel number per spike was characterized, providing a solid foundation for the future high-resolution mapping and map-based cloning of the targeted QTL.

Summary In plants, the plasticity of root architecture in response to nitrogen availability largely determines nitrogen acquisition efficiency. One poorly understood root growth response to low nitrogen availability is an observed increase in the number and length of lateral roots ( LR s). Here, we show that low nitrogen‐induced A rabidopsis LR growth depends on the function of the auxin biosynthesis gene TAR 2 (tryptophan aminotransferase related 2). TAR 2 was expressed in the pericycle and the vasculature of the mature root zone near the root tip, and was induced under low nitrogen conditions. In wild type plants, low nitrogen stimulated auxin accumulation in the non‐emerged LR primordia with more than three cell layers and LR emergence. Conversely, these low nitrogen‐mediated auxin accumulation and root growth responses were impaired in the tar2‐c null mutant. Overexpression of TAR 2 increased LR numbers under both high and low nitrogen conditions. Our results suggested that TAR 2 is required for reprogramming root architecture in response to low nitrogen conditions. This finding suggests a new strategy for improving nitrogen use efficiency through the engineering of TAR 2 expression in roots.

Abstract Glutamine synthetase (GS) mediates the first step in the assimilation of inorganic nitrogen (N) into amino acids, however the function of GS encoding genes is not well understood in wheat ( Triticum aestivum ). We found that the cytosolic TaGS1.1 was the major transcripted GS1 gene and was up-regulated by low-N availability. CRISPR/Cas9 mediated genome editing was employed to develop two gs1.1 mutants with mutated TaGS1.1-6A, −6B , and -6D . Both mutants had lower grains per spike and grain yield per plant than the wild type under both low-N and high-N conditions in field experiments. In a hydroponic culture treated with different N resources, the two mutants was more sensitive to low-N stress than the wild type, but showed similar sensitivity to high ammonium stress with the wild type. The growth deficiency and impaired spike development were associated with the imbalance of N metabolites in the mutant plants. During grain filling, TaGS1.1 mutation reduced N translocation efficiency and delayed leaf N loss and grain N filling. Our results suggested that TaGS1.1 is important for N assimilation and remobilization, and required for wheat adaptation to N-limited conditions and spike development. Highlight The wheat cytosolic glutamine synthetase TaGS1.1 is important for N assimilation and remobilization, and is required for wheat adaptation to low-N stress and spike development.

Abstract The success of common wheat as the global staple crop is derived from genome diversity and redundancy as a result of allopolyploidization [1-3], giving rise to the major question how the divergent and convergent transcription among different subgenomes are achieved and harmonized in a single cell. The regulatory information is largely encoded in DNA regulatory elements (REs) interpreted by sequence specific transcription factors (TFs). Here, we created a catalog of genome-wide TF-binding sites (TFBS) to assemble an extensive wheat regulatory network comprising connections among 189 TFs and 3,714,431 REs, which enhances the understanding of wheat regulatory mechanisms on an unprecedented scale. A significant fraction of subgenome-divergent TFBS are derived from recent subgenome-asymmetric expansion of particular transposable element (TE) families. In contrary, TFBS derived from ancient TE expansion largely underwent parallel purifying selection during independent evolution of each subgenome, despite extensive unbalanced turnover of flanking TEs. Altogether, the subgenome-convergent and -divergent regulation in common wheat is orchestrated via differential evolutionary selection on paleo- and neo-TEs.

Carbon materials are widely applied in lithium-sulfur (Li-S) batteries due to their large specific surface area, high conductivity, and tunable properties. An appropriate heteroatom doping can enhance the adsorption ability and electrochemical activity toward lithium polysulfides, thus improving the overall performance of Li-S batteries. Herein, three nitrogen-doped carbons (NCs) with different nitrogen doping levels are firstly prepared and then used as the model materials to coat the common polypropylene (PP) separator, aiming to elaborate the effect of adsorption behavior from various N-doping level carbons surface toward lithium polysulfides on the subsequent catalytic conversion kinetics. The experimental data demonstrate that the NC800 with appropriate N-doped level shows the moderate adsorption of polysulfides as well as exhibits the best reaction kinetics on polysulfides conversion. In comparison, an assembled Li-S battery with NC800-PP separator delivers high capacity and good cycling stability, achieving an initial specific capacity of ∼ 1302.2 mAh g−1 at 0.2 C and a capacity fading rate of ∼ 0.061% per cycle after 500 cycles at 1.0 C. Moreover, a Li-S battery using NC800-PP separator still delivers an initial specific capacity of ∼ 1147.6 mAh g−1 at 0.1 C and maintains a stable specific capacity of ∼ 833.5 mAh g−1 even with a sulfur loading of ∼ 3.9 mg cm−2. This study is believed to give better insight to reveal the internal correlation of adsorption and catalytic effect on polysulfides, as well as provide a guidance for rationally designing heteroatom doping carbon materials in Li-S batteries.

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.

Abstract Radial spokes (RS) transmit mechanochemical signals between the central pair (CP) and axonemal dynein arms to coordinate ciliary motility. However, the high-resolution structure of mammalian RS remains missing. Here, we present the high-resolution cryo-EM structure of mouse RS head-neck complex in both monomer and dimer forms and reveal the intrinsic dynamics of the dimer. We also map the genetic mutations related to primary ciliary dyskinesia and asthenospermia on the head-neck complex. Moreover, we present the unprecedented cryo-ET and sub-tomogram averaging map of mouse ependymal cilia, whose beating creates unidirectional cerebrospinal fluid flow, and build the models for RS1-3, IDAs, and N-DRC. Strikingly, our cryo-ET map reveals the lack of IDA-b/c/e and the absence of tektin filaments within the A-tubule of doublet microtubules in ependymal cilia compared with mammalian respiratory cilia and sperm flagella. This tissue-specific feature may represent an evolutionary choice driven by the functional requirements on ependymal cilia. Our findings reveal the RS head-neck assembly mechanism, shed light on the coordinated rigid and elastic RS-CP interaction modes beneficial for the regulation of asymmetric ciliary beating, and also facilitate understandings on the etiology of ciliary dyskinesia-related ciliopathies.

Abstract Background Winter wheat undergoes vernalization, a process activated by prolonged exposure to low temperatures. During this phase, flowering signals are generated and transported to the apical meristems, stimulating the transition to the inflorescence meristem while inhibiting tiller bud elongation. Although some vernalization genes have been identified, the key cis -regulatory elements and precise mechanisms governing this process in wheat remain largely unknown. Results In this study, we construct extensive epigenomic and transcriptomic profiling across multiple tissues—leaf, axillary bud, and shoot apex—during the vernalization of winter wheat. Epigenetic modifications play a crucial role in eliciting tissue-specific responses and sub-genome-divergent expressions during vernalization. Notably, we observe that H3K27me3 primarily regulates vernalization-induced genes and has limited influence on vernalization-repressed genes. The integration of these datasets enables the identification of 10,600 putative vernalization-related regulatory elements including distal accessible chromatin regions (ACRs) situated 30Kb upstream of VRN3 , contributing to the construction of a comprehensive regulatory network. Furthermore, we discover that TaSPL7/15, integral components of the aging-related flowering pathway, interact with the VRN1 promoter and VRN3 distal regulatory elements. These interactions finely regulate their expressions, consequently impacting the vernalization process and flowering. Conclusions Our study offers critical insights into wheat vernalization’s epigenomic dynamics and identifies the putative regulatory elements crucial for developing wheat germplasm with varied vernalization characteristics. It also establishes a vernalization-related transcriptional network, and uncovers that TaSPL7/15 from the aging pathway participates in vernalization by directly binding to the VRN1 promoter and VRN3 distal regulatory elements.