Abstract Aegilops tauschii, the diploid wild progenitor of the D-subgenome of bread wheat, constitutes a reservoir of genetic diversity for improving bread wheat performance and environmental resilience. To better define and understand this diversity, we sequenced 242 Ae. tauschii accessions and compared them to the wheat D-subgenome. We characterized a rare, geographically-restricted lineage of Ae. tauschii and discovered that it contributed to the wheat D-subgenome, thereby elucidating the origin of bread wheat from at least two independent hybridizations. We then used k -mer-based association mapping to identify discrete genomic regions with candidate genes for disease and pest resistance and demonstrated their functional transfer into wheat by transgenesis and wide crossing, including the generation of a library of ‘synthetic’ hexaploids incorporating diverse Ae. tauschii genomes. This pipeline permits rapid trait discovery in the diploid ancestor through to functional genetic validation in a hexaploid background amenable to breeding.

Abstract Agriculturally important genes are often introgressed into crops from closely related donor species or landraces. The gene pool of hexaploid bread wheat ( Triticum aestivum) is known to contain numerous such “alien” introgressions. Recently established high-quality reference genome sequences allow prediction of the size, frequency, and identity of introgressed chromosome regions. Here, we characterise chromosomal introgressions in bread wheat using exome capture data from the WHEALBI collection. We identified 26,664 putative introgression segments of at least 2 Mb across 434 wheat accessions. Detailed study of the most frequent introgressions identified T. timophevii or its close relatives as a frequent donor species. Importantly, 118 introgressions of at least 10 Mb were exclusive to single wheat accessions, revealing that large populations need to be studied to assess the total diversity of the wheat pangenome. In one case, a 14 Mb introgression in chromosome 7D, exclusive to cultivar Pamukale, was shown by QTL mapping to harbor a recessive powdery mildew resistance gene. We identified multiple events where distal chromosomal segments of one subgenome were duplicated in the genome and replaced the homoeologous segment in another subgenome. We propose that these examples are the results of inter-homoeolog recombination. Our study produced an extensive catalogue of the wheat introgression landscape, providing a resource for wheat breeding. Of note, the finding that the wheat gene pool contains numerous rare, but potentially important introgressions and chromosomal rearrangements has implications for future breeding. Key message This study highlights the potential of rare introgressions, as demonstrated by a major QTL for powdery mildew resistance on chromosome 7D. It further shows evidence for inter-homoeolog recombination in wheat.

Abstract Wheat breeding for disease resistance relies on the availability and use of diverse genetic resources. More than 800,000 wheat accessions are globally conserved in gene banks, but they are mostly uncharacterized for the presence of resistance genes and their potential for agriculture. Based on the selective reduction of previously assembled collections for allele mining, we assembled a trait-customized panel of 755 geographically diverse bread wheat accessions with a focus on landraces, called the LandracePLUS panel. Population structure analysis of this panel based on the TaBW35K SNP array revealed an increased genetic diversity compared to high-quality sequenced wheat accessions and 632 landraces of an earlier study. The additional diversity mostly originated from Turkish, Iranian and Pakistani landraces. We characterized the LandracePLUS panel for resistance to ten diverse isolates of the fungal pathogen powdery mildew. Performing genome-wide association studies and dividing the panel further by a targeted sub-setting approach for accessions with unique resistance patterns and distinct geographical origin, we detected several known and already cloned genes, including the Pm2a gene. In addition, we identified 17 putatively novel powdery mildew resistance loci that represent useful sources for resistance breeding and for research on the mildew-wheat pathosystem. Our study shows the value of assembling trait-customized collections and utilizing a diverse range of pathogen races, to detect novel loci that can be integrated in breeding programs. It further highlights the importance of integrating landraces of different geographical origin into future diversity studies. Author Summary Wheat breeding relies on the availability of wheat lines with diverse agricultural traits, based on their genetic differences. While over 800,000 wheat lines are conserved in gene banks, their value for agriculture is mostly not characterized. We assembled a collection of 755 wheat lines that focuses on older wheat lines, which are known to have broader genetic diversity than modern cultivars. Population genetic analysis of this collection showed a broad genetic diversity compared to previous studies on older varieties and wheat reference genomes. Wheat lines from Turkey, Iran and Pakistan were most distinct in this regard. We tested the symptom severity of powdery mildew infections on all wheat plants from this collection. Combining the genomic data with this disease assessment gave insight on the potential geographic origin of previously described resistance genes and revealed 17 associated genomic regions in wheat that contribute to resistance to powdery mildew that have not been described before. These findings provide a valuable resource for future diversity studies and wheat lines to include in the breeding process to achieve mildew resistant cultivars.