Soybean (Glycine max) is one of the most important crop plants for seed protein and oil content, and for its capacity to fix atmospheric nitrogen through symbioses with soil-borne microorganisms. We sequenced the 1.1-gigabase genome by a whole-genome shotgun approach and integrated it with physical and high-density genetic maps to create a chromosome-scale draft sequence assembly. We predict 46,430 protein-coding genes, 70% more than Arabidopsis and similar to the poplar genome which, like soybean, is an ancient polyploid (palaeopolyploid). About 78% of the predicted genes occur in chromosome ends, which comprise less than one-half of the genome but account for nearly all of the genetic recombination. Genome duplications occurred at approximately 59 and 13 million years ago, resulting in a highly duplicated genome with nearly 75% of the genes present in multiple copies. The two duplication events were followed by gene diversification and loss, and numerous chromosome rearrangements. An accurate soybean genome sequence will facilitate the identification of the genetic basis of many soybean traits, and accelerate the creation of improved soybean varieties.

Scott Jackson, Jeremy Schmutz, Phillip McClean and colleagues report the genome sequence of the common bean (Phaseolus vulgaris) and resequenced wild individuals and landraces from Mesoamerican and Andean gene pools, showing that common bean underwent two independent domestications. Common bean (Phaseolus vulgaris L.) is the most important grain legume for human consumption and has a role in sustainable agriculture owing to its ability to fix atmospheric nitrogen. We assembled 473 Mb of the 587-Mb genome and genetically anchored 98% of this sequence in 11 chromosome-scale pseudomolecules. We compared the genome for the common bean against the soybean genome to find changes in soybean resulting from polyploidy. Using resequencing of 60 wild individuals and 100 landraces from the genetically differentiated Mesoamerican and Andean gene pools, we confirmed 2 independent domestications from genetic pools that diverged before human colonization. Less than 10% of the 74 Mb of sequence putatively involved in domestication was shared by the two domestication events. We identified a set of genes linked with increased leaf and seed size and combined these results with quantitative trait locus data from Mesoamerican cultivars. Genes affected by domestication may be useful for genomics-enabled crop improvement.

A total of 391 simple sequence repeat (SSR) markers designed from genomic DNA libraries, 24 derived from existing GenBank genes or ESTs, and five derived from bacterial artificial chromosome (BAC) end sequences were developed. In contrast to SSRs derived from EST sequences, those derived from genomic libraries were a superior source of polymorphic markers, given that the mean number of tandem repeats in the former was significantly less than that of the latter (P<0.01). The 420 newly developed SSRs were mapped in one or more of five soybean mapping populations: 'Minsoy' × 'Noir 1', 'Minsoy' × 'Archer', 'Archer' × 'Noir 1', 'Clark' × 'Harosoy', and A81-356022 × PI468916. The JoinMap software package was used to combine the five maps into an integrated genetic map spanning 2,523.6 cM of Kosambi map distance across 20 linkage groups that contained 1,849 markers, including 1,015 SSRs, 709 RFLPs, 73 RAPDs, 24 classical traits, six AFLPs, ten isozymes, and 12 others. The number of new SSR markers added to each linkage group ranged from 12 to 29. In the integrated map, the ratio of SSR marker number to linkage group map distance did not differ among 18 of the 20 linkage groups; however, the SSRs were not uniformly spaced over a linkage group, clusters of SSRs with very limited recombination were frequently present. These clusters of SSRs may be indicative of gene-rich regions of soybean, as has been suggested by a number of recent studies, indicating the significant association of genes and SSRs. Development of SSR markers from map-referenced BAC clones was a very effective means of targeting markers to marker-scarce positions in the genome.

Soybean has undergone several genetic bottlenecks. These include domestication in Asia to produce numerous Asian landraces, introduction of relatively few landraces to North America, and then selective breeding over the past 75 years. It is presumed that these three human-mediated events have reduced genetic diversity. We sequenced 111 fragments from 102 genes in four soybean populations representing the populations before and after genetic bottlenecks. We show that soybean has lost many rare sequence variants and has undergone numerous allele frequency changes throughout its history. Although soybean genetic diversity has been eroded by human selection after domestication, it is notable that modern cultivars have retained 72% of the sequence diversity present in the Asian landraces but lost 79% of rare alleles (frequency ≤0.10) found in the Asian landraces. Simulations indicated that the diversity lost through the genetic bottlenecks of introduction and plant breeding was mostly due to the small number of Asian introductions and not the artificial selection subsequently imposed by selective breeding. The bottleneck with the most impact was domestication; when the low sequence diversity present in the wild species was halved, 81% of the rare alleles were lost, and 60% of the genes exhibited evidence of significant allele frequency changes.

Association analysis is an alternative to conventional family-based methods to detect the location of gene(s) or quantitative trait loci (QTL) and provides relatively high resolution in terms of defining the genome position of a gene or QTL. Seed protein and oil concentration are quantitative traits which are determined by the interaction among many genes with small to moderate genetic effects and their interaction with the environment. In this study, a genome-wide association study (GWAS) was performed to identify quantitative trait loci (QTL) controlling seed protein and oil concentration in 298 soybean germplasm accessions exhibiting a wide range of seed protein and oil content.A total of 55,159 single nucleotide polymorphisms (SNPs) were genotyped using various methods including Illumina Infinium and GoldenGate assays and 31,954 markers with minor allele frequency >0.10 were used to estimate linkage disequilibrium (LD) in heterochromatic and euchromatic regions. In euchromatic regions, the mean LD (r2) rapidly declined to 0.2 within 360 Kbp, whereas the mean LD declined to 0.2 at 9,600 Kbp in heterochromatic regions. The GWAS results identified 40 SNPs in 17 different genomic regions significantly associated with seed protein. Of these, the five SNPs with the highest associations and seven adjacent SNPs were located in the 27.6-30.0 Mbp region of Gm20. A major seed protein QTL has been previously mapped to the same location and potential candidate genes have recently been identified in this region. The GWAS results also detected 25 SNPs in 13 different genomic regions associated with seed oil. Of these markers, seven SNPs had a significant association with both protein and oil.This research indicated that GWAS not only identified most of the previously reported QTL controlling seed protein and oil, but also resulted in narrower genomic regions than the regions reported as containing these QTL. The narrower GWAS-defined genome regions will allow more precise marker-assisted allele selection and will expedite positional cloning of the causal gene(s).

The objective of this research was to identify single nucleotide polymorphisms (SNPs) and to develop an Illumina Infinium BeadChip that contained over 50,000 SNPs from soybean (Glycine max L. Merr.). A total of 498,921,777 reads 35–45 bp in length were obtained from DNA sequence analysis of reduced representation libraries from several soybean accessions which included six cultivated and two wild soybean (G. soja Sieb. et Zucc.) genotypes. These reads were mapped to the soybean whole genome sequence and 209,903 SNPs were identified. After applying several filters, a total of 146,161 of the 209,903 SNPs were determined to be ideal candidates for Illumina Infinium II BeadChip design. To equalize the distance between selected SNPs, increase assay success rate, and minimize the number of SNPs with low minor allele frequency, an iteration algorithm based on a selection index was developed and used to select 60,800 SNPs for Infinium BeadChip design. Of the 60,800 SNPs, 50,701 were targeted to euchromatic regions and 10,000 to heterochromatic regions of the 20 soybean chromosomes. In addition, 99 SNPs were targeted to unanchored sequence scaffolds. Of the 60,800 SNPs, a total of 52,041 passed Illumina’s manufacturing phase to produce the SoySNP50K iSelect BeadChip. Validation of the SoySNP50K chip with 96 landrace genotypes, 96 elite cultivars and 96 wild soybean accessions showed that 47,337 SNPs were polymorphic and generated successful SNP allele calls. In addition, 40,841 of the 47,337 SNPs (86%) had minor allele frequencies ≥10% among the landraces, elite cultivars and the wild soybean accessions. A total of 620 and 42 candidate regions which may be associated with domestication and recent selection were identified, respectively. The SoySNP50K iSelect SNP beadchip will be a powerful tool for characterizing soybean genetic diversity and linkage disequilibrium, and for constructing high resolution linkage maps to improve the soybean whole genome sequence assembly.

Abstract Single-nucleotide polymorphisms (SNPs) provide an abundant source of DNA polymorphisms in a number of eukaryotic species. Information on the frequency, nature, and distribution of SNPs in plant genomes is limited. Thus, our objectives were (1) to determine SNP frequency in coding and noncoding soybean (Glycine max L. Merr.) DNA sequence amplified from genomic DNA using PCR primers designed to complete genes, cDNAs, and random genomic sequence; (2) to characterize haplotype variation in these sequences; and (3) to provide initial estimates of linkage disequilibrium (LD) in soybean. Approximately 28.7 kbp of coding sequence, 37.9 kbp of noncoding perigenic DNA, and 9.7 kbp of random noncoding genomic DNA were sequenced in each of 25 diverse soybean genotypes. Over the &gt;76 kbp, mean nucleotide diversity expressed as Watterson’s θ was 0.00097. Nucleotide diversity was 0.00053 and 0.00111 in coding and in noncoding perigenic DNA, respectively, lower than estimates in the autogamous model species Arabidopsis thaliana. Haplotype analysis of SNP-containing fragments revealed a deficiency of haplotypes vs. the number that would be anticipated at linkage equilibrium. In 49 fragments with three or more SNPs, five haplotypes were present in one fragment while four or less were present in the remaining 48, thereby supporting the suggestion of relatively limited genetic variation in cultivated soybean. Squared allele-frequency correlations (r2) among haplotypes at 54 loci with two or more SNPs indicated low genome-wide LD. The low level of LD and the limited haplotype diversity suggested that the genome of any given soybean accession is a mosaic of three or four haplotypes. To facilitate SNP discovery and the development of a transcript map, subsets of four to six diverse genotypes, whose sequence analysis would permit the discovery of at least 75% of all SNPs present in the 25 genotypes as well as 90% of the common (frequency &gt;0.10) SNPs, were identified.

Abstract The first genetic transcript map of the soybean genome was created by mapping one SNP in each of 1141 genes in one or more of three recombinant inbred line mapping populations, thus providing a picture of the distribution of genic sequences across the mapped portion of the genome. Single-nucleotide polymorphisms (SNPs) were discovered via the resequencing of sequence-tagged sites (STSs) developed from expressed sequence tag (EST) sequence. From an initial set of 9459 polymerase chain reaction primer sets designed to a diverse set of genes, 4240 STSs were amplified and sequenced in each of six diverse soybean genotypes. In the resulting 2.44 Mbp of aligned sequence, a total of 5551 SNPs were discovered, including 4712 single-base changes and 839 indels for an average nucleotide diversity of θ = 0.000997. The analysis of the observed genetic distances between adjacent genes vs. the theoretical distribution based upon the assumption of a random distribution of genes across the 20 soybean linkage groups clearly indicated that genes were clustered. Of the 1141 genes, 291 mapped to 72 of the 112 gaps of 5–10 cM in the preexisting simple sequence repeat (SSR)-based map, while 111 genes mapped in 19 of the 26 gaps &gt;10 cM. The addition of 1141 sequence-based genic markers to the soybean genome map will provide an important resource to soybean geneticists for quantitative trait locus discovery and map-based cloning, as well as to soybean breeders who increasingly depend upon marker-assisted selection in cultivar improvement.