An ordered draft sequence of the 17-gigabase hexaploid bread wheat ( Triticum aestivum ) genome has been produced by sequencing isolated chromosome arms. We have annotated 124,201 gene loci distributed nearly evenly across the homeologous chromosomes and subgenomes. Comparative gene analysis of wheat subgenomes and extant diploid and tetraploid wheat relatives showed that high sequence similarity and structural conservation are retained, with limited gene loss, after polyploidization. However, across the genomes there was evidence of dynamic gene gain, loss, and duplication since the divergence of the wheat lineages. A high degree of transcriptional autonomy and no global dominance was found for the subgenomes. These insights into the genome biology of a polyploid crop provide a springboard for faster gene isolation, rapid genetic marker development, and precise breeding to meet the needs of increasing food demand worldwide.

The allohexaploid bread wheat genome consists of three closely related subgenomes (A, B, and D), but a clear understanding of their phylogenetic history has been lacking. We used genome assemblies of bread wheat and five diploid relatives to analyze genome-wide samples of gene trees, as well as to estimate evolutionary relatedness and divergence times. We show that the A and B genomes diverged from a common ancestor ~7 million years ago and that these genomes gave rise to the D genome through homoploid hybrid speciation 1 to 2 million years later. Our findings imply that the present-day bread wheat genome is a product of multiple rounds of hybrid speciation (homoploid and polyploid) and lay the foundation for a new framework for understanding the wheat genome as a multilevel phylogenetic mosaic.

We produced a reference sequence of the 1-gigabase chromosome 3B of hexaploid bread wheat. By sequencing 8452 bacterial artificial chromosomes in pools, we assembled a sequence of 774 megabases carrying 5326 protein-coding genes, 1938 pseudogenes, and 85% of transposable elements. The distribution of structural and functional features along the chromosome revealed partitioning correlated with meiotic recombination. Comparative analyses indicated high wheat-specific inter- and intrachromosomal gene duplication activities that are potential sources of variability for adaption. In addition to providing a better understanding of the organization, function, and evolution of a large and polyploid genome, the availability of a high-quality sequence anchored to genetic maps will accelerate the identification of genes underlying important agronomic traits.

We used a novel approach that incorporated chromosome sorting, next-generation sequencing, array hybridization, and systematic exploitation of conserved synteny with model grasses to assign ~86% of the estimated ~32,000 barley (Hordeum vulgare) genes to individual chromosome arms. Using a series of bioinformatically constructed genome zippers that integrate gene indices of rice (Oryza sativa), sorghum (Sorghum bicolor), and Brachypodium distachyon in a conserved synteny model, we were able to assemble 21,766 barley genes in a putative linear order. We show that the barley (H) genome displays a mosaic of structural similarity to hexaploid bread wheat (Triticum aestivum) A, B, and D subgenomes and that orthologous genes in different grasses exhibit signatures of positive selection in different lineages. We present an ordered, information-rich scaffold of the barley genome that provides a valuable and robust framework for the development of novel strategies in cereal breeding.

Allohexaploid bread wheat ( Triticum aestivum L.) provides approximately 20% of calories consumed by humans. Lack of genome sequence for the three homeologous and highly similar bread wheat genomes (A, B, and D) has impeded expression analysis of the grain transcriptome. We used previously unknown genome information to analyze the cell type–specific expression of homeologous genes in the developing wheat grain and identified distinct co-expression clusters reflecting the spatiotemporal progression during endosperm development. We observed no global but cell type– and stage-dependent genome dominance, organization of the wheat genome into transcriptionally active chromosomal regions, and asymmetric expression in gene families related to baking quality. Our findings give insight into the transcriptional dynamics and genome interplay among individual grain cell types in a polyploid cereal genome.

To enhance our understanding of plant cells as systems, there is a need to emphasize studies on individual cell types and individual cells of plants. The systems biology of plant single-cell-types and single-cells requires the development of new methodologies to collect biological information and new computational tools to enhance the integration of these data sets. The establishment of advanced strategies to isolate and identify distinct cells comprising the plant is needed to reveal cellular heterogeneity, cell–cell communication, and signaling networks in plant biology. The comparative analysis of plants at the level of the single-cell will enhance interspecies comparisons by avoiding complications due to variation in tissue or organ anatomy. Many plant mutants have been characterized based on developmental and physiological defects. The biology of single-cell-types or single-cell systems applied to mutant plant cells should reveal molecular networks controlling cell-specific physiological and developmental processes in plants. Our understanding of plant biology is increasingly being built upon studies using ‘omics and system biology approaches performed at the level of the entire plant, organ, or tissue. Although these approaches open new avenues to better understand plant biology, they suffer from the cellular complexity of the analyzed sample. Recent methodological advances now allow plant scientists to overcome this limitation and enable biological analyses of single-cells or single-cell-types. Coupled with the development of bioinformatics and functional genomics resources, these studies provide opportunities for high-resolution systems analyses of plant phenomena. In this review, we describe the recent advances, current challenges, and future directions in exploring the biology of single-cells and single-cell-types to enhance our understanding of plant biology as a system. Our understanding of plant biology is increasingly being built upon studies using ‘omics and system biology approaches performed at the level of the entire plant, organ, or tissue. Although these approaches open new avenues to better understand plant biology, they suffer from the cellular complexity of the analyzed sample. Recent methodological advances now allow plant scientists to overcome this limitation and enable biological analyses of single-cells or single-cell-types. Coupled with the development of bioinformatics and functional genomics resources, these studies provide opportunities for high-resolution systems analyses of plant phenomena. In this review, we describe the recent advances, current challenges, and future directions in exploring the biology of single-cells and single-cell-types to enhance our understanding of plant biology as a system. analysis of the structure of genomes from multiple species, in terms of gene order, function, and orientation in the genome. Comparative genomic approaches have benefited from the recent release of numerous genomic resources notable in plant science. the collection of a class of molecules or biochemical characteristics from a single-cell, specific cell-type, tissue, organ, or whole organism. ‘Omic information varies depending on the type of biological data collected (e.g., epigenomic, transcriptomic, proteomic, or metabolomics data sets). one plant cell that has unique characteristics compared with its neighboring cells based on its developmental stage, unique response to environmental stresses, molecular heterogeneity, and so on. a collection of plant cells that have common physiological, anatomical, and/or functional characteristics. As a consequence, plant single-cells that belong to the same cell-type are also expected to share similar molecular and biochemical components. a field that seeks to understand complex biological processes through the integration of data sets (molecular, biochemical, etc.) at the level of a defined system (i.e., plant organelle, cell, tissue, organ, organisms, ecological communities, etc.).

Abstract Similar to any microscopic appendages, such as cilia or antennae, phenotyping of root hairs has been a challenge due to their complex intersecting arrangements in two-dimensional (2D) images and the technical limitations of automated measurements. Digital Imaging of Root Traits at Microscale (DIRT/μ) addresses this issue by computationally resolving intersections and extracting individual root hairs from 2D microscopy images. This solution enables automatic and precise trait measurements of individual root hairs. DIRT/μ rigorously defines a set of rules to resolve intersecting root hairs and minimizes a newly designed cost function to combinatorically identify each root hair in the microscopy image. As a result, DIRT/μ accurately measures traits such as root hair length (RHL) distribution and root hair density (RHD), which are impractical for manual assessment. We tested DIRT/μ on three datasets to validate its performance and showcase potential applications. By measuring root hair traits in a fraction of the time manual methods require, DIRT/μ eliminates subjective biases from manual measurements. Automating individual root hair extraction accelerates phenotyping and quantifies trait variability within and among plants, creating new possibilities to characterize root hair function and their underlying genetics.

Summary Lignin, a complex heterogenous polymer present in virtually all plant cell walls, plays a critical role in protecting plants from various stresses. However, little is known about how lignin modifications in sorghum will impact plant defense against sugarcane aphids (SCA), a key pest of sorghum. We utilized the sorghum brown midrib ( bmr ) mutants, which are impaired in monolignol synthesis, to understand sorghum defense mechanisms against SCA. We found that loss of Bmr12 function and overexpression (OE) of Bmr12 provided enhanced resistance and susceptibility to SCA, respectively, as compared with wild‐type (WT; RTx430) plants. Monitoring of the aphid feeding behavior indicated that SCA spent more time in reaching the first sieve element phase on bmr12 plants compared with RTx430 and Bmr12 ‐OE plants. A combination of transcriptomic and metabolomic analyses revealed that bmr12 plants displayed altered auxin metabolism upon SCA infestation and specifically, elevated levels of auxin conjugate indole‐3‐acetic acid–aspartic acid (IAA–Asp) were observed in bmr12 plants compared with RTx430 and Bmr12 ‐OE plants. Furthermore, exogenous application of IAA–Asp restored resistance in Bmr12 ‐OE plants, and artificial diet aphid feeding trial bioassays revealed that IAA–Asp is associated with enhanced resistance to SCA. Our findings highlight the molecular underpinnings that contribute to sorghum bmr12 ‐mediated resistance to SCA.