Wheat (Triticum spp.) is one of the founder crops that likely drove the Neolithic transition to sedentary agrarian societies in the Fertile Crescent more than 10,000 years ago. Identifying genetic modifications underlying wheat's domestication requires knowledge about the genome of its allo-tetraploid progenitor, wild emmer (T. turgidum ssp. dicoccoides). We report a 10.1-gigabase assembly of the 14 chromosomes of wild tetraploid wheat, as well as analyses of gene content, genome architecture, and genetic diversity. With this fully assembled polyploid wheat genome, we identified the causal mutations in Brittle Rachis 1 (TtBtr1) genes controlling shattering, a key domestication trait. A study of genomic diversity among wild and domesticated accessions revealed genomic regions bearing the signature of selection under domestication. This reference assembly will serve as a resource for accelerating the genome-assisted improvement of modern wheat varieties.

The classic wheat evolutionary history is one of adaptive radiation of the diploid Triticum / Aegilops species (A, S, D), genome convergence and divergence of the tetraploid ( Triticum turgidum AABB, and Triticum timopheevii AAGG) and hexaploid ( Triticum aestivum , AABBDD) species. We analyzed Acc-1 (plastid acetyl-CoA carboxylase) and Pgk-1 (plastid 3-phosphoglycerate kinase) genes to determine phylogenetic relationships among Triticum and Aegilops species of the wheat lineage and to establish the timeline of wheat evolution based on gene sequence comparisons. Triticum urartu was confirmed as the A genome donor of tetraploid and hexaploid wheat. The A genome of polyploid wheat diverged from T. urartu less than half a million years ago (MYA), indicating a relatively recent origin of polyploid wheat. The D genome sequences of T. aestivum and Aegilops tauschii are identical, confirming that T. aestivum arose from hybridization of T. turgidum and Ae. tauschii only 8,000 years ago. The diploid Triticum and Aegilops progenitors of the A, B, D, G, and S genomes all radiated 2.5–4.5 MYA. Our data suggest that the Acc-1 and Pgk-1 loci have different histories in different lineages, indicating genome mosaicity and significant intraspecific differentiation. Some loci of the S genome of Aegilops speltoides and the G genome of T. timophevii are closely related, suggesting the same origin of some parts of their genomes. None of the Aegilops genomes analyzed is a close relative of the B genome, so the diploid progenitor of the B genome remains unknown.

The domestication of wild emmer wheat led to the selection of modern durum wheat, grown mainly for pasta production. We describe the 10.45 gigabase (Gb) assembly of the genome of durum wheat cultivar Svevo. The assembly enabled genome-wide genetic diversity analyses revealing the changes imposed by thousands of years of empirical selection and breeding. Regions exhibiting strong signatures of genetic divergence associated with domestication and breeding were widespread in the genome with several major diversity losses in the pericentromeric regions. A locus on chromosome 5B carries a gene encoding a metal transporter (TdHMA3-B1) with a non-functional variant causing high accumulation of cadmium in grain. The high-cadmium allele, widespread among durum cultivars but undetected in wild emmer accessions, increased in frequency from domesticated emmer to modern durum wheat. The rapid cloning of TdHMA3-B1 rescues a wild beneficial allele and demonstrates the practical use of the Svevo genome for wheat improvement. Genome assembly of durum wheat cultivar Svevo enables genome-wide genetic diversity analyses highlighting modifications imposed by thousands of years of empirical selection and breeding.

Abstract The Q gene is largely responsible for the widespread cultivation of wheat because it confers the free-threshing character. It also pleiotropically influences many other domestication-related traits such as glume shape and tenacity, rachis fragility, spike length, plant height, and spike emergence time. We isolated the Q gene and verified its identity by analysis of knockout mutants and transformation. The Q gene has a high degree of similarity to members of the AP2 family of transcription factors. The Q allele is more abundantly transcribed than q, and the two alleles differ for a single amino acid. An isoleucine at position 329 in the Q protein leads to an abundance of homodimer formation in yeast cells, whereas a valine in the q protein appears to limit homodimer formation. Ectopic expression analysis allowed us to observe both silencing and overexpression effects of Q. Rachis fragility, glume shape, and glume tenacity mimicked the q phenotype in transgenic plants exhibiting post-transcriptional silencing of the transgene and the endogenous Q gene. Variation in spike compactness and plant height were associated with the level of transgene transcription due to the dosage effects of Q. The q allele is the more primitive, and the mutation that gave rise to Q occurred only once leading to the world's cultivated wheats.

Plant disease resistance is often conferred by genes with nucleotide binding site (NBS) and leucine-rich repeat (LRR) or serine/threonine protein kinase (S/TPK) domains. Much less is known about mechanisms of susceptibility, particularly to necrotrophic fungal pathogens. The pathogens that cause the diseases tan spot and Stagonospora nodorum blotch on wheat produce effectors (host-selective toxins) that induce susceptibility in wheat lines harboring corresponding toxin sensitivity genes. The effector ToxA is produced by both pathogens, and sensitivity to ToxA is governed by the Tsn1 gene on wheat chromosome arm 5BL. Here, we report the cloning of Tsn1 , which was found to have disease resistance gene-like features, including S/TPK and NBS-LRR domains. Mutagenesis revealed that all three domains are required for ToxA sensitivity, and hence disease susceptibility. Tsn1 is unique to ToxA-sensitive genotypes, and insensitive genotypes are null. Sequencing and phylogenetic analysis indicated that Tsn1 arose in the B-genome diploid progenitor of polyploid wheat through a gene-fusion event that gave rise to its unique structure. Although Tsn1 is necessary to mediate ToxA recognition, yeast two-hybrid experiments suggested that the Tsn1 protein does not interact directly with ToxA. Tsn1 transcription is tightly regulated by the circadian clock and light, providing further evidence that Tsn1 -ToxA interactions are associated with photosynthesis pathways. This work suggests that these necrotrophic pathogens may thrive by subverting the resistance mechanisms acquired by plants to combat other pathogens.

Summary Consensus linkage maps are important tools in crop genomics. We have assembled a high‐density tetraploid wheat consensus map by integrating 13 data sets from independent biparental populations involving durum wheat cultivars ( Triticum turgidum ssp. durum ), cultivated emmer ( T. turgidum ssp . dicoccum ) and their ancestor (wild emmer, T. turgidum ssp. dicoccoides ). The consensus map harboured 30 144 markers (including 26 626 SNPs and 791 SSRs) half of which were present in at least two component maps. The final map spanned 2631 cM of all 14 durum wheat chromosomes and, differently from the individual component maps, all markers fell within the 14 linkage groups. Marker density per genetic distance unit peaked at centromeric regions, likely due to a combination of low recombination rate in the centromeric regions and even gene distribution along the chromosomes. Comparisons with bread wheat indicated fewer regions with recombination suppression, making this consensus map valuable for mapping in the A and B genomes of both durum and bread wheat. Sequence similarity analysis allowed us to relate mapped gene‐derived SNP s to chromosome‐specific transcripts. Dense patterns of homeologous relationships have been established between the A‐ and B‐genome maps and between nonsyntenic homeologous chromosome regions as well, the latter tracing to ancient translocation events. The gene‐based homeologous relationships are valuable to infer the map location of homeologs of target loci/ QTL s. Because most SNP and SSR markers were previously mapped in bread wheat, this consensus map will facilitate a more effective integration and exploitation of genes and QTL for wheat breeding purposes.

The wheat pathogen Stagonospora nodorum produces multiple necrotrophic effectors (also called host-selective toxins) that promote disease by interacting with corresponding host sensitivity gene products. SnTox1 was the first necrotrophic effector identified in S. nodorum, and was shown to induce necrosis on wheat lines carrying Snn1. Here, we report the molecular cloning and validation of SnTox1 as well as the preliminary characterization of the mechanism underlying the SnTox1-Snn1 interaction which leads to susceptibility. SnTox1 was identified using bioinformatics tools and verified by heterologous expression in Pichia pastoris. SnTox1 encodes a 117 amino acid protein with the first 17 amino acids predicted as a signal peptide, and strikingly, the mature protein contains 16 cysteine residues, a common feature for some avirulence effectors. The transformation of SnTox1 into an avirulent S. nodorum isolate was sufficient to make the strain pathogenic. Additionally, the deletion of SnTox1 in virulent isolates rendered the SnTox1 mutated strains avirulent on the Snn1 differential wheat line. SnTox1 was present in 85% of a global collection of S. nodorum isolates. We identified a total of 11 protein isoforms and found evidence for strong diversifying selection operating on SnTox1. The SnTox1-Snn1 interaction results in an oxidative burst, DNA laddering, and pathogenesis related (PR) gene expression, all hallmarks of a defense response. In the absence of light, the development of SnTox1-induced necrosis and disease symptoms were completely blocked. By comparing the infection processes of a GFP-tagged avirulent isolate and the same isolate transformed with SnTox1, we conclude that SnTox1 may play a critical role during fungal penetration. This research further demonstrates that necrotrophic fungal pathogens utilize small effector proteins to exploit plant resistance pathways for their colonization, which provides important insights into the molecular basis of the wheat-S. nodorum interaction, an emerging model for necrotrophic pathosystems.

Necrotrophic pathogens live and feed on dying tissue, but their interactions with plants are not well understood compared to biotrophic pathogens. The wheat Snn1 gene confers susceptibility to strains of the necrotrophic pathogen Parastagonospora nodorum that produce the SnTox1 protein. We report the positional cloning of Snn1, a member of the wall-associated kinase class of receptors, which are known to drive pathways for biotrophic pathogen resistance. Recognition of SnTox1 by Snn1 activates programmed cell death, which allows this necrotroph to gain nutrients and sporulate. These results demonstrate that necrotrophic pathogens such as P. nodorum hijack host molecular pathways that are typically involved in resistance to biotrophic pathogens, revealing the complex nature of susceptibility and resistance in necrotrophic and biotrophic pathogen interactions with plants.

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.