Abstract Background MicroRNAs (miRNAs) are a class of small non-coding regulatory RNAs that regulate gene expression by guiding target mRNA cleavage or translational inhibition. MiRNAs can have large-scale regulatory effects on development and stress response in plants. Results To test whether miRNAs play roles in regulating response to powdery mildew infection and heat stress in wheat, by using Solexa high-throughput sequencing we cloned the small RNA from wheat leaves infected by preponderant physiological strain Erysiphe graminis f. sp. tritici ( Egt ) or by heat stress treatment. A total of 153 miRNAs were identified, which belong to 51 known and 81 novel miRNA families. We found that 24 and 12 miRNAs were responsive to powdery mildew infection and heat stress, respectively. We further predicted that 149 target genes were potentially regulated by the novel wheat miRNA. Conclusions Our results indicated that diverse set of wheat miRNAs were responsive to powdery mildew infection and heat stress and could function in wheat responses to both biotic and abiotic stresses.

Abstract Background MicroRNAs (miRNAs) are a class of small, non-coding regulatory RNAs that regulate gene expression by guiding target mRNA cleavage or translational inhibition. So far, identification of miRNAs has been limited to a few model plant species, such as Arabidopsis , rice and Populus , whose genomes have been sequenced. Wheat is one of the most important cereal crops worldwide. To date, only a few conserved miRNAs have been predicted in wheat and the computational identification of wheat miRNAs requires the genome sequence, which is unknown. Results To identify novel as well as conserved miRNAs in wheat ( Triticum aestivum L.), we constructed a small RNA library. High throughput sequencing of the library and subsequent analysis revealed the identification of 58 miRNAs, comprising 43 miRNA families. Of these, 35 miRNAs belong to 20 conserved miRNA families. The remaining 23 miRNAs are novel and form 23 miRNA families in wheat; more importantly, 4 of these new miRNAs (miR506, miR510, miR514 and miR516) appear to be monocot-specific. Northern blot analysis indicated that some of the new miRNAs are preferentially expressed in certain tissues. Based on sequence homology, we predicted 46 potential targets. Thus, we have identified a large number of monocot-specific and wheat-specific miRNAs. These results indicate that both conserved and wheat-specific miRNAs play important roles in wheat growth and development, stress responses and other physiological processes. Conclusion This study led to the discovery of 58 wheat miRNAs comprising 43 miRNA families; 20 of these families are conserved and 23 are novel in wheat. It provides a first large scale cloning and characterization of wheat miRNAs and their predicted targets.

Hexaploid wheat (Triticum aestivum) is a globally important crop. Heat, drought and their combination dramatically reduce wheat yield and quality, but the molecular mechanisms underlying wheat tolerance to extreme environments, especially stress combination, are largely unknown. As an allohexaploid, wheat consists of three closely related subgenomes (A, B, and D), and was reported to show improved tolerance to stress conditions compared to tetraploid. But so far very little is known about how wheat coordinates the expression of homeologous genes to cope with various environmental constraints on the whole-genome level. To explore the transcriptional response of wheat to the individual and combined stress, we performed high-throughput transcriptome sequencing of seedlings under normal condition and subjected to drought stress (DS), heat stress (HS) and their combination (HD) for 1 h and 6 h, and presented global gene expression reprograms in response to these three stresses. Gene Ontology (GO) enrichment analysis of DS, HS and HD responsive genes revealed an overlap and complexity of functional pathways between each other. Moreover, 4,375 wheat transcription factors were identified on a whole-genome scale based on the released scaffold information by IWGSC, and 1,328 were responsive to stress treatments. Then, the regulatory network analysis of HSFs and DREBs implicated they were both involved in the regulation of DS, HS and HD response and indicated a cross-talk between heat and drought stress. Finally, approximately 68.4 % of homeologous genes were found to exhibit expression partitioning in response to DS, HS or HD, which was further confirmed by using quantitative RT-PCR and Nullisomic-Tetrasomic lines. A large proportion of wheat homeologs exhibited expression partitioning under normal and abiotic stresses, which possibly contributes to the wide adaptability and distribution of hexaploid wheat in response to various environmental constraints.

Abstract Background Biotic and abiotic stresses, such as powdery mildew infection and high temperature, are important limiting factors for yield and grain quality in wheat production. Emerging evidences suggest that long non-protein coding RNAs (npcRNAs) are developmentally regulated and play roles in development and stress responses of plants. However, identification of long npcRNAs is limited to a few plant species, such as Arabidopsis, rice and maize, no systematic identification of long npcRNAs and their responses to abiotic and biotic stresses is reported in wheat. Results In this study, by using computational analysis and experimental approach we identified 125 putative wheat stress responsive long npcRNAs, which are not conserved among plant species. Among them, some were precursors of small RNAs such as microRNAs and siRNAs, two long npcRNAs were identified as signal recognition particle (SRP) 7S RNA variants, and three were characterized as U3 snoRNAs. We found that wheat long npcRNAs showed tissue dependent expression patterns and were responsive to powdery mildew infection and heat stress. Conclusion Our results indicated that diverse sets of wheat long npcRNAs were responsive to powdery mildew infection and heat stress, and could function in wheat responses to both biotic and abiotic stresses, which provided a starting point to understand their functions and regulatory mechanisms in the future.

Small RNA-mediated regulation of chromatin structure is an important means of suppressing unwanted genetic activity in diverse plants, fungi, and animals. In plants specifically, 24-nt siRNAs direct de novo methylation to repetitive DNA, both foreign and endogenous, in a process known as RNA-directed DNA methylation (RdDM). Many components of the de novo methylation machinery have been identified recently, including multiple RNA polymerases, but specific genetic features that trigger methylation remain poorly understood. By applying whole-genome bisulfite sequencing to maize, we found that transposons close to cellular genes (particularly within 1 kb of either a gene start or end) are strongly associated with de novo methylation, as evidenced both by 24-nt siRNAs and by methylation specifically in the CHH sequence context. In addition, we found that the major classes of transposons exhibited a gradient of CHH methylation determined by proximity to genes. Our results further indicate that intergenic chromatin in maize exists in two major forms that are distinguished based on proximity to genes—one form marked by dense CG and CHG methylation and lack of transcription, and one marked by CHH methylation and activity of multiple forms of RNA polymerase. The existence of the latter, which we call CHH islands, may have implications for how cellular gene expression could be coordinated with immediately adjacent transposon repression in a large genome with a complex organization of genes interspersed in a landscape of transposons.

Abstract Background Wheat is a major crop in the world, and the high temperature stress can reduce the yield of wheat by as much as 15%. The molecular changes in response to heat stress are poorly understood. Using GeneChip ® Wheat Genome Array, we analyzed genome-wide gene expression profiles in the leaves of two wheat genotypes, namely, heat susceptible 'Chinese Spring' (CS) and heat tolerant 'TAM107' (TAM). Results A total of 6560 (~10.7%) probe sets displayed 2-fold or more changes in expression in at least one heat treatment ( f alse d iscovery r ate, FDR, α = 0.001). Except for heat shock protein (HSP) and heat shock factor (HSF) genes, these putative heat responsive genes encode transcription factors and proteins involved in phytohormone biosynthesis/signaling, calcium and sugar signal pathways, RNA metabolism, ribosomal proteins, primary and secondary metabolisms, as well as proteins related to other stresses. A total of 313 probe sets were differentially expressed between the two genotypes, which could be responsible for the difference in heat tolerance of the two genotypes. Moreover, 1314 were differentially expressed between the heat treatments with and without pre-acclimation, and 4533 were differentially expressed between short and prolonged heat treatments. Conclusion The differences in heat tolerance in different wheat genotypes may be associated with multiple processes and mechanisms involving HSPs, transcription factors, and other stress related genes. Heat acclimation has little effects on gene expression under prolonged treatments but affects gene expression in wheat under short-term heat stress. The heat stress responsive genes identified in this study will facilitate our understanding of molecular basis for heat tolerance in different wheat genotypes and future improvement of heat tolerance in wheat and other cereals.

Abstract Background MicroRNAs (miRNAs) are a new class of small, endogenous RNAs that play a regulatory role in the cell by negatively affecting gene expression at the post-transcriptional level. miRNAs have been shown to control numerous genes involved in various biological and metabolic processes. There have been extensive studies on discovering miRNAs and analyzing their functions in model species, such as Arabidopsis and rice. Increasing investigations have been performed on important agricultural crops including soybean, conifers, and Phaselous vulgaris but no studies have been reported on discovering peanut miRNAs using a cloning strategy. Results In this study, we employed the next generation high through-put Solexa sequencing technology to clone and identify both conserved and species-specific miRNAs in peanuts. Next generation high through-put Solexa sequencing showed that peanuts have a complex small RNA population and the length of small RNAs varied, 24-nt being the predominant length for a majority of the small RNAs. Combining the deep sequencing and bioinformatics, we discovered 14 novel miRNA families as well as 75 conserved miRNAs in peanuts. All 14 novel peanut miRNAs are considered to be species-specific because no homologs have been found in other plant species except ahy-miRn1, which has a homolog in soybean. qRT-PCR analysis demonstrated that both conserved and peanut-specific miRNAs are expressed in peanuts. Conclusions This study led to the discovery of 14 novel and 22 conserved miRNA families from peanut. These results show that regulatory miRNAs exist in agronomically important peanuts and may play an important role in peanut growth, development, and response to environmental stress.

Abstract Background The massive structural variations and frequent introgression highly contribute to the genetic diversity of wheat, while the huge and complex genome of polyploid wheat hinders efficient genotyping of abundant varieties towards accurate identification, management, and exploitation of germplasm resources. Results We develop a novel workflow that identifies 1240 high-quality large copy number variation blocks (CNVb) in wheat at the pan-genome level, demonstrating that CNVb can serve as an ideal DNA fingerprinting marker for discriminating massive varieties, with the accuracy validated by PCR assay. We then construct a digitalized genotyping CNVb map across 1599 global wheat accessions. Key CNVb markers are linked with trait-associated introgressions, such as the 1RS·1BL translocation and 2N v S translocation, and the beneficial alleles, such as the end-use quality allele Glu-D1d (Dx5 + Dy10) and the semi-dwarf r-e-z allele. Furthermore, we demonstrate that these tagged CNVb markers promote a stable and cost-effective strategy for evaluating wheat germplasm resources with ultra-low-coverage sequencing data, competing with SNP array for applications such as evaluating new varieties, efficient management of collections in gene banks, and describing wheat germplasm resources in a digitalized manner. We also develop a user-friendly interactive platform, WheatCNVb ( http://wheat.cau.edu.cn/WheatCNVb/ ), for exploring the CNVb profiles over ever-increasing wheat accessions, and also propose a QR-code-like representation of individual digital CNVb fingerprint. This platform also allows uploading new CNVb profiles for comparison with stored varieties. Conclusions The CNVb-based approach provides a low-cost and high-throughput genotyping strategy for enabling digitalized wheat germplasm management and modern breeding with precise and practical decision-making.

Starch content and seed storage protein (SSP) composition are critical factors influencing wheat grain yield and quality. To uncover the molecular mechanisms governing their biosynthesis, we conducted transcriptome and epigenome profiling across key endosperm developmental stages, revealing that chromatin accessibility, H3K27ac, and H3K27me3 collectively regulate SSP and starch genes with varying impact. Population transcriptome and phenotype analyses highlighted the crucial role of accessible promoter regions as a genetic variation resource, influencing grain yield and quality in a core collection of wheat accessions. By integrating time-serial RNA-seq and ATAC-seq data, we constructed a hierarchical transcriptional regulatory network (TRN) governing starch and SSP biosynthesis, identifying 42 high-confidence novel candidates. These candidates exhibited overlap with genetic regions associated with grain size and quality traits, and their functional significance was validated through expression-phenotype association analysis among wheat accessions and TILLING mutants. In-depth functional analysis of wheat abscisic acid insensitive 3-A1 (TaABI3-A1) with genome editing knock-out lines demonstrated its role in promoting SSP accumulation while repressing starch biosynthesis through transcriptional regulation. An elite haplotype of TaABI3-A1 with higher grain weight was identified during the breeding process in China, and its superior trait was associated with altered TaABI3-A1 expression levels. Additionally, we identified the potential upstream regulator, wheat GAGA-binding transcription factor 1 (TaGBP1), influencing TaABI3-A1 expression. Our study provides novel and high-confidence regulators, presenting an effective strategy for understanding the regulation of SSP and starch biosynthesis and contributing to breeding enhancement.