Cowpea (Vigna unguiculata L. Walp.) is a legume crop that is resilient to hot and drought-prone climates, and a primary source of protein in sub-Saharan Africa and other parts of the developing world. However, genome resources for cowpea have lagged behind most other major crops. Here we describe foundational genome resources and their application to the analysis of germplasm currently in use in West African breeding programs. Resources developed from the African cultivar IT97K-499-35 include a whole-genome shotgun (WGS) assembly, a bacterial artificial chromosome (BAC) physical map, and assembled sequences from 4355 BACs. These resources and WGS sequences of an additional 36 diverse cowpea accessions supported the development of a genotyping assay for 51 128 SNPs, which was then applied to five bi-parental RIL populations to produce a consensus genetic map containing 37 372 SNPs. This genetic map enabled the anchoring of 100 Mb of WGS and 420 Mb of BAC sequences, an exploration of genetic diversity along each linkage group, and clarification of macrosynteny between cowpea and common bean. The SNP assay enabled a diversity analysis of materials from West African breeding programs. Two major subpopulations exist within those materials, one of which has significant parentage from South and East Africa and more diversity. There are genomic regions of high differentiation between subpopulations, one of which coincides with a cluster of nodulin genes. The new resources and knowledge help to define goals and accelerate the breeding of improved varieties to address food security issues related to limited-input small-holder farming and climate stress.

ABSTRACT Incorporation of new sources of genetic diversity into plant breeding programs is crucial for continuing to improve yield and quality, as well as tolerance to abiotic and biotic stresses. A minicore (the “UCR Minicore”) composed of 368 worldwide accessions of cultivated cowpea has been assembled, having been derived from the University of California, Riverside cowpea collection. High-density genotyping with 51,128 SNPs followed by principal component and genetic assignment analyses identified six subpopulations in the UCR Minicore, mainly differentiated by cultivar group and geographic origin. All six subpopulations were present to some extent in West African material, suggesting that West Africa is a center of diversity for cultivated cowpea. Additionally, population structure analyses supported two routes of introduction of cowpea into the U.S.: (1) from Spain to the southwest U.S. through Northern Mexico, and (2) from Africa to the southeast U.S. via the Caribbean. Genome-wide association studies (GWAS) of important agronomic traits including flowering time, resulted in the identification of significant SNPs for all traits and environments. The mapping resolution achieved by high-density genotyping of this diverse minicore collection allowed the identification of strong candidate genes, including orthologs of the Arabidopsis FLOWERING LOCUS T. In summary, this diverse, yet compact cowpea collection constitutes a suitable resource to identify loci controlling complex traits, consequently providing markers to assist with breeding to improve this crop of high relevance to global food and nutritional security.

Abstract Seed coat color is an important consumer-related train in cowpea ( Vigna unguiculata [L.] Walp.) and has been a subject of study for over a century. Utilizing newly available resources, including mapping populations, a high-density genotyping platform, and several genome assemblies, red seed coat color has been mapped to two loci, Red-1 ( R-1 ) and Red-2 ( R-2 ), on Vu03 and Vu07, respectively. A gene model ( Vigun03g118700 ) encoding a dihydroflavonol 4-reductase, a homolog of anthocyanidin reductase 1, which catalyzes the biosynthesis of epicatechin from cyanidin, has been identified as a candidate gene for R-1 . Possible causative variants have been also identified for Vigun03g118700 . A gene model on Vu07 ( Vigun07g118500 ), with predicted nucleolar function and high relative expression in the developing seed, has been identified as a candidate for R-2 . The observed red color is believed to be the result of a buildup of cyanidins in the seed coat.

Seed coat color is an important part of consumer preferences for cowpea (Vigna unguiculata L. Walp). Color has been studied in numerous crop species and has often been linked to loci controlling the anthocyanin biosynthesis pathway. This study makes use of available resources, including mapping populations, a reference genome, and a high-density single nucleotide polymorphism genotyping platform, to map the black seed coat and purple pod tip color traits in cowpea. Several gene models encoding MYB domain protein 113 were identified as candidate genes. MYB domain proteins have been shown in other species to control expression of genes encoding enzymes for the final steps in the anthocyanin biosynthesis pathway. PCR analysis indicated that a presence/absence variation of one or more MYB113 genes may control the presence or absence of black pigment. A PCR marker has been developed for black seed coat color in cowpea.

Cowpea (Vigna unguiculata L. Walp.) is a legume crop that is resilient to hot and drought-prone climates, and a primary source of protein in sub-Saharan Africa and other parts of the developing world. However, genome resources for cowpea have lagged behind most other major crop plants. Here we describe foundational genome resources and their application to analysis of germplasm currently in use in West African breeding programs. Resources developed from the African cultivar IT97K-499-35 include bacterial artificial chromosome (BAC) libraries and a BAC-based physical map, assembled sequences from 4,355 BACs, as well as a whole-genome shotgun (WGS) assembly. These resources and WGS sequences of an additional 36 diverse cowpea accessions supported the development of a genotyping assay for over 50,000 SNPs, which was then applied to five biparental RIL populations to produce a consensus genetic map containing 37,372 SNPs. This genetic map enabled the anchoring of 100 Mb of WGS and 420 Mb of BAC sequences, an exploration of genetic diversity along each linkage group, and clarification of macrosynteny between cowpea and common bean. The genomes of West African breeding lines and landraces have regions of marked depletion of diversity, some of which coincide with QTL that may be the result of artificial selection or environmental adaptation. The new publicly available resources and knowledge help to define goals and accelerate the breeding of improved varieties to address food security issues related to limited-input small-holder farming and climate stress.

The appearance of the seed is an important aspect of consumer preference for cowpea ( Vigna unguiculata [L.] Walp.). Seed coat pattern in cowpea has been a subject of study for over a century. This study makes use of newly available resources, including mapping populations, a reference genome and additional genome assemblies, and a high-density single nucleotide polymorphism genotyping platform, to map various seed coat pattern traits to three loci, concurrent with the Color Factor ( C ), Watson ( W ), and Holstein ( H ) factors identified previously. Several gene models encoding proteins involved in regulating the later stages of the flavonoid biosynthesis pathway have been identified as candidate genes, including a basic helix-loop-helix gene ( Vigun07g110700 ) for the C locus, a WD-repeat gene ( Vigun09g139900 ) for the W locus and an E3 ubiquitin ligase gene ( Vigun10g163900 ) for the H locus. A model of seed coat development, consisting of six distinct stages, is described to explain some of the observed pattern phenotypes.

Development and analysis of Multiparent Advanced Generation Inter-Cross (MAGIC) populations have been conducted with several crop plants to harness the potential for dissecting the genetic structure of traits and improving breeding populations. We developed a first MAGIC population for cowpea (Vigna unguiculata L. Walp.) from eight founder parents which are genetically diverse and carry many abiotic and biotic stress resistance, seed quality and agronomic traits relevant to cowpea improvement in sub-Saharan Africa (SSA) where cowpea is vitally important in the human diet and in local economies. The eight parents were inter-crossed using structured matings to ensure the population would have balanced representation from each of the founder parents, followed by single-seed descent, resulting in 365 F8 recombinant inbred lines (RILs) each carrying a mosaic of genome blocks contributed from all founders. This was confirmed by SNP genotyping with the cowpea Illumina 60K iSelect BeadArray. Following filtering to eliminate duplicates, sister lines and accidental selfing events, a core set of 305 F8 RILs was chosen as the primary population. The F8 lines were on average 99.74% homozygous while also diverse in agronomic traits including flowering time, growth habit, maturity, yield potential and seed characteristics across environments. Trait-associated SNPs were identified for most of the parental traits. Loci with major effects on photoperiod sensitivity and seed size were also verified by genetic mapping in biparental RIL populations. The distribution of recombination frequency varied considerably between chromosomes, with recombination hotspots distributed mostly in the telomeric regions. Due to its broad genetic base, this cowpea MAGIC population promises breakthroughs in genetic gain and high-resolution genetic mapping for gene discovery, enhancement of breeding populations and, for some lines, direct releases as new varieties.

The root-knot nematode (RKN) species Meloidogyne incognita and M. javanica cause substantial root system damage and suppress yield of susceptible cowpea cultivars. The narrow-based genetic resistance conferred by the Rk gene, present in some commercial cultivars, is not effective against Rk-virulent populations found in several cowpea production areas. The dynamics of virulence within RKN populations require a broadening of the genetic base of resistance in elite cowpea cultivars. As part of this goal, F1 and F2 populations from the cross CB46-Null (susceptible) x FN-2-9-04 (resistant) were phenotyped for M. javanica induced root-galling (RG) and egg-mass production (EM) in controlled growth chamber and greenhouse infection assays. In addition, F2:3 families of the same cross were phenotyped for RG on field sites infested with Rk-avirulent M. incognita and M. javanica. The response of F1 to RG and EM indicated that resistance to RKN in FN-2-9-04 is partially dominant, as supported by the degree of dominance in the F2 and F2:3 populations. Two QTLs associated with both RG and EM resistance were detected on chromosomes Vu01 and Vu04. The QTL on Vu01 was most effective against aggressive M. javanica, whereas both QTLs were effective against avirulent M. incognita. Allelism tests with CB46 x FN-2-9-04 progeny indicated that these parents share the same RKN resistance locus on Vu04, but the strong, broad-based resistance in FN-2-9-04 is conferred by the additive effect of the novel resistance QTL on Vu01. This novel resistance in FN-2-9-04 is an important resource for broadening RKN resistance in elite cowpea cultivars.

Cowpea (Vigna unguiculata L. Walp) is a warm-season legume with a genetically diverse genepool composed of wild and cultivated forms. Cowpea domestication involved considerable phenotypic changes from the wild progenitor, including reduction of pod shattering, increased organ size, and changes in flowering time. Little is known about the genetic basis underlying these changes. In this study, 215 recombinant inbred lines derived from a cross between a cultivated and a wild cowpea accession were used to evaluate nine domestication-related traits (pod shattering, peduncle length, flower color, flowering time, 100-seed weight, pod length, leaf length, leaf width and seed number per pod). A high-density genetic map containing 17,739 single nucleotide polymorphisms was constructed and used to identify 16 quantitative trait loci (QTL) for these nine domestication-related traits. Candidate genes underlying each of those 16 QTL were identified. Four regions with clusters of QTL were identified, including one on chromosome 8 related to increased organ size. This study provides new knowledge of the genomic regions controlling domestication-related traits in cowpea as well as candidate genes underlying those QTL. This information can help to exploit wild relatives in cowpea breeding programs.