Abstract To improve the efficiency of high-density genotype data storage and imputation in bread wheat ( Triticum aestivum L.), we applied the Practical Haplotype Graph (PHG) tool. The wheat PHG database was built using whole-exome capture sequencing data from a diverse set of 65 wheat accessions. Population haplotypes were inferred for the reference genome intervals defined by the boundaries of the high-quality gene models. Missing genotypes in the inference panels, composed of wheat cultivars or recombinant inbred lines genotyped by exome capture, genotyping-by-sequencing (GBS), or whole-genome skim-seq sequencing approaches, were imputed using the wheat PHG database. Though imputation accuracy varied depending on the method of sequencing and coverage depth, we found 93% imputation accuracy with 0.01x sequence coverage, which was only slightly lower than the accuracy obtained using the 0.5x sequence coverage (96.9%). Compared to Beagle, on average, PHG imputation was ~4% ( p-value = 0.00027) more accurate, and showed 27% higher accuracy at imputing a rare haplotype introgressed from a wild relative into wheat. The reduced accuracy of imputation with GBS data (90.4%) is likely associated with the small overlap between GBS markers and the exome capture dataset, which was used for constructing PHG. The highest imputation accuracy was obtained with exome capture for the wheat D genome, which also showed the highest levels of linkage disequlibrium and proportion of identity-by-descent regions among accessions in our reference panel. We demonstrate that genetic mapping based on genotypes imputed using PHG identifies SNPs with a broader range of effect sizes that together explain a higher proportion of genetic variance for heading date and meiotic crossover rate compared to previous studies.

Septoria nodorum blotch (SNB), caused by Parastagonospora nodorum, is a disease of durum and common wheat initiated by the recognition of pathogen-produced necrotrophic effectors (NEs) by specific wheat genes. The wheat gene Snn1 encodes a wall-associated kinase that directly interacts with the NE SnTox1 leading to the development of SNB. Here, sequence analysis of Snn1 from 114 accessions including diploid, tetraploid and hexaploid wheat species revealed that some wheat lines possess two copies of Snn1 (designated Snn1-B1 and Snn1-B2) approximately 120 kb apart. Snn1-B2 evolved relatively recently as a paralog of Snn1-B1, and both genes have undergone diversifying selection. Three point mutations associated with the formation of the first SnTox1-sensitive Snn1-B1 allele from a primitive wild wheat were identified. Four subsequent and independent SNPs, three in Snn1-B1 and one in Snn1-B2, converted the sensitive alleles to insensitive forms. Protein modeling indicated these four mutations could abolish Snn1-SnTox1 compatibility either through destabilization of the Snn1 protein or direct disruption of the protein-protein interaction. High-throughput markers were developed for the causal mutations and evaluated on panels of durum and common wheat. The markers were able to correctly identify 96.9 % of SnTox1-sensitive durum wheat accessions, and a marker for the null allele was 100% accurate at predicting SnTox1-insensitive lines in both durum and spring wheat. Results of this study increase our understanding of the evolution, diversity, and function of Snn1-B1 and Snn1-B2 genes and will be useful for marker-assisted elimination of these genes for better host resistance.

Aegilops umbellulata serve as an important reservoir for novel biotic and abiotic stress tolerance for wheat improvement. However, chromosomal rearrangements and evolutionary trajectory of this species remain to be elucidated. Here, we present a comprehensive investigation into Ae. umbellulata genome by generating a high-quality near telomere-to-telomere genome assembly of PI 554389 and resequencing 20 additional Ae. umbellulata genomes representing diverse geographical and phenotypic variations. Our analysis unveils complex chromosomal rearrangements, most prominently in 4U and 6U chromosomes, delineating a distinct evolutionary trajectory of Ae. umbellulata from wheat and its relatives. Furthermore, our data rectified the erroneous naming of chromosomes 4U and 6U in the past and highlighted multiple major evolutionary events that led to the present-day U-genome. Resequencing of diverse Ae. umbellulata accessions revealed high genetic diversity within the species, partitioning into three distinct evolutionary sub-populations and supported by extensive phenotypic variability in resistance against several races/pathotypes of five major wheat diseases. Disease evaluations indicated the presence of several novel resistance genes in the resequenced lines for future studies. Resequencing also resulted in the identification of six new haplotypes for Lr9, the first resistance gene cloned from Ae. umbellulata. The extensive genomic and phenotypic resources presented in this study will expedite the future genetic exploration of Ae. umbellulata, facilitating efforts aimed at enhancing resiliency and productivity in wheat.

Abstract Aegilops spp. serve as an important reservoir for novel sources of resistance or tolerance to biotic and abiotic stresses. To harness this reservoir, we have generated a high-quality chromosome-level genome assembly of an Ae . umbellulata accession PI 554389 using a combination of PacBio HiFi, Oxford nanopore, and chromosome conformation capture (Hi-C) sequencing technologies and resequenced 20 Ae. umbellulata genomes using Illumina sequencing. We assembled a 4.20 Gb genome spanned over seven chromosomes, rich in repetitive elements (∼84%), achieving a QV of 59.54 with 98.14% completeness. The phylogenetic analysis places the U-genome with D-lineage, but major and distinct rearrangements were revealed in the U-genome. Unique transposon landscape of diploid U-genome and complex chromosomal rearrangements, most prominently in 4U and 6U chromosomes uncovered a distinct evolutionary trajectory of Ae. umbellulata . Additionally, the resequencing of geographically and morphologically diverse Ae. umbellulata accessions revealed three distinctive evolutionary sub-populations. Resequencing also identified six new haplotypes for Lr9 , the first leaf rust resistance gene introgressed and cloned from Ae. umbellulata. These genomics resources along with high levels of resistance in the resequenced accessions against five devastating wheat diseases affirmed the genetic potential of Ae. umbellulata for wheat improvement.

SUMMARY Septoria nodorum blotch (SNB), caused by Parastagonospora nodorum, is a disease of durum and common wheat initiated by the recognition of pathogen‐produced necrotrophic effectors (NEs) by specific wheat genes. The wheat gene Snn1 was previously cloned, and it encodes a wall‐associated kinase that directly interacts with the NE SnTox1 leading to programmed cell death and ultimately the development of SNB. Here, sequence analysis of Snn1 from 114 accessions including diploid, tetraploid, and hexaploid wheat species revealed that some wheat lines possess two copies of Snn1 (designated Snn1‐B1 and Snn1‐B2 ) approximately 120 kb apart. Snn1‐B2 evolved relatively recently as a paralog of Snn1‐B1 , and both genes have undergone diversifying selection. Three point mutations associated with the formation of the first SnTox1‐sensitive Snn1‐B1 allele from a primitive wild wheat were identified. Four subsequent and independent SNPs, three in Snn1‐B1 and one in Snn1‐B2 , converted the sensitive alleles to insensitive forms. Protein modeling indicated these four mutations could abolish Snn1 –SnTox1 compatibility either through destabilization of the Snn1 protein or direct disruption of the protein–protein interaction. A high‐throughput marker was developed for the absent allele of Snn1 , and it was 100% accurate at predicting SnTox1‐insensitive lines in both durum and spring wheat. Results of this study increase our understanding of the evolution, diversity, and function of Snn1‐B1 and Snn1‐B2 genes and will be useful for marker‐assisted elimination of these genes for better host resistance.

Abstract Four durum wheat ( Triticum turgidum ssp. durum ) lines Rusty‐KLB (Reg. no. GP‐1098, PI 705448), Rusty‐14803 (Reg. no. GP‐1097, PI 705447), Rusty‐ST464C1 (Reg. no. GP‐1099, PI 705449), and CAT‐A1 (Reg. no. GP‐1096, PI 705446), which carry stem rust resistance gene Sr13 alleles Sr13a , Sr13b , Sr13c , and Sr13d , respectively, are released by USDA‐ARS. These alleles originated from cultivated emmer wheat ( T. turgidum ssp. dicoccum ) landrace Khapli (CItr 4013), T. turgidum ssp. polonicum accession CItr 14803, durum landrace ST464 (PI 191365), and durum line Camadi Abdu tipo #103 (PI 192168), respectively. Rusty‐KLB, Rusty‐14803, and Rusty‐ST464C1 are near‐isogenic lines with the pedigrees Rusty*7/KL‐B, Rusty*4/3/Rusty/CItr 14803//2*Rusty, and Rusty*7/ST464‐C1, respectively. KL‐B, ST464‐C1, and CAT‐A1 are monogenic lines with the pedigrees Marruecos 9623//Khapli/Marruecos 9623, Marruecos 9623*2/ST464, and Marruecos 9623*2/Camadi Abdu tipo #103, respectively. Sr13 can be detected by perfect markers including Kompetitive allele specific polymerase chain reaction (KASP) marker KASPSr13 and semi‐thermal asymmetric reverse polymerase chain reaction (STARP) markers rwgsnp37 . Specific alleles can be identified via STARP markers rwgsnp38 , rwgsnp39 , and rwgsnp40 . The Sr13 alleles provide a moderate level of resistance, typically an infection type 2, to a broad spectrum of stem rust races. Sr13c was effective against all 15 stem rust races tested while Sr13a was ineffective only against race TCMJC. Sr13b was ineffective against JRCQC, QCCJC, QFCSC, and TTRTF. Sr13d is notable in being the only Sr13 allele ineffective to TTKSK (Ug99) and TKTTF. These lines are useful for studying the host‐stem rust pathogen interactions, identifying new genes, and breeding durum and bread wheat cultivars with stem rust resistance.

Summary The barley Mla locus contains functionally diversified genes that encode intracellular nucleotide‐binding leucine‐rich repeat receptors (NLRs) and confer strain‐specific immunity to biotrophic and hemibiotrophic fungal pathogens. In this study, we isolated a barley gene Scs6 , which is an allelic variant of Mla genes but confers susceptibility to the isolate ND90Pr ( Bs ND90Pr ) of the necrotrophic fungus Bipolaris sorokiniana . We generated Scs6 transgenic barley lines and showed that Scs6 is sufficient to confer susceptibility to Bs ND90Pr in barley genotypes naturally lacking the receptor. The Scs6‐ encoded NLR (SCS6) is activated by a nonribosomal peptide (NRP) effector produced by Bs ND90Pr to induce cell death in barley and Nicotiana benthamiana . Domain swaps between MLAs and SCS6 reveal that the SCS6 leucine‐rich repeat domain is a specificity determinant for receptor activation by the NRP effector. Scs6 is maintained in both wild and domesticated barley populations. Our phylogenetic analysis suggests that Scs6 is a Hordeum ‐specific innovation. We infer that SCS6 is a bona fide immune receptor that is likely directly activated by the nonribosomal peptide effector of Bs ND90Pr for disease susceptibility in barley. Our study provides a stepping stone for the future development of synthetic NLR receptors in crops that are less vulnerable to modification by necrotrophic pathogens.

The evolutionary history of plant interactions with necrotrophic pathogens that feed on dying host cells and their virulence mechanisms remains fragmentary. We have isolated the barley gene Scs6, which is required for the necrotrophic fungus Bipolaris sorokiniana isolate ND90Pr to cause spot blotch disease. Scs6 is located at the disease resistance gene locus Mildew locus a (Mla) and encodes an intracellular nucleotide-binding leucine-rich repeat receptor (NLR). In transgenic barley, Scs6 is sufficient to confer susceptibility to ND90Pr in accessions naturally lacking the receptor, resulting in infection-associated host cell death. Expression of Scs6 in evolutionarily distant Nicotiana benthamiana reconstitutes a cell death response to an uncharacterized non-ribosomal peptide effector produced by ND90Pr-specific non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) encoded at the VHv1 virulence locus. Our data suggest that the heat-resistant effector directly activates the SCS6 receptor. Scs6 is an allelic variant of functionally diversified Mla resistance genes each conferring strain-specific immunity to barley powdery mildew isolates with a matching proteinaceous pathogen effector. Domain swaps between MLA and SCS6 NLRs and expression of the resulting hybrid proteins in N. benthamiana reveal that the SCS6 leucine-rich repeat domain is a specificity determinant for the NRPS-derived effector to activate the receptor. Scs6 evolved after the divergence of barley from wheat and is maintained in several wild barley populations with an incidence of 8%, suggesting a beneficial function for the host. Evolution of the bona fide immune receptor SCS6 targeted by the NRPS-derived effector was key for the emergence of strain-specific spot blotch disease in domesticated barley.