Abstract Increasing the proportion of locally produced plant protein in currently meat-rich diets could substantially reduce greenhouse gas emission and loss of biodiversity. However, plant protein production is hampered by the lack of a cool-season legume equivalent to soybean in agronomic value. Faba bean ( Vicia faba L.) has a high yield potential and is well-suited for cultivation in temperate regions, but genomic resources are scarce. Here, we report a high-quality chromosome-scale assembly of the faba bean genome and show that it has grown to a massive 13 Gb in size through an imbalance between the rates of amplification and elimination of retrotransposons and satellite repeats. Genes and recombination events are evenly dispersed across chromosomes and the gene space is remarkably compact considering the genome size, though with significant copy number variation driven by tandem duplication. Demonstrating practical application of the genome sequence, we develop a targeted genotyping assay and use high-resolution genome-wide association (GWA) analysis to dissect the genetic basis of hilum colour. The resources presented constitute a genomics-based breeding platform for faba bean, enabling breeders and geneticists to accelerate improvement of sustainable protein production across Mediterranean, subtropical, and northern temperate agro-ecological zones.

Abstract Chocolate spot (CS), caused by Botrytis fabae Sard., is an important threat to global faba bean production. Growing resistant faba bean cultivars is, therefore, paramount to preventing yield loss. To date, there have been no reported quantitative trait loci (QTLs) associated with CS resistance in faba bean. The objective of this study was to identify genomic regions associated with CS resistance using a recombinant inbred line (RIL) population derived from resistant accession ILB 938. A total of 165 RILs from the cross Mélodie/2 × ILB 938/2 were genotyped and evaluated for CS reactions under replicated controlled climate conditions. QTL analysis identified five loci contributing to CS resistance on faba bean chromosomes 1 and 6, accounting for 5.0–23.4% of the total phenotypic variance. The sequences of SNP markers linked to resistance QTLs on chromosome 1 that have the largest effects encode multiple classes of putative disease and/or defense-related genes. The results of this study not only provide insight into disease-resistance QTLs, but also can be used as potential targets for marker-assisted breeding in faba bean genetic improvement for CS resistance. Key message QTL mapping identified key genomic regions associated with chocolate spot resistance on faba bean chromosomes 1 and 6, which may serve as novel genetic tools to develop disease-resistant faba bean cultivars.

Abstract In cereals with hollow internodes, lodging resistance is influenced by morphological characteristics such as internode diameter and culm wall thickness. Despite their relevance, knowledge of the genetic control of these traits and their relationship with lodging is lacking in temperate cereals such as barley. To fill this gap, we developed an image-analysis based protocol to accurately phenotype culm diameter and culm wall thickness across 261 barley accessions. Analysis of culm trait data collected from field trials in 7 different environments revealed genetic control as supported by high heritability values, as well as genotype-by-environment interactions. The collection was structured mainly according to row-type, which had a confounding effect on culm traits as evidenced by phenotypic correlations. In addition, culm traits showed strong negative correlations with lodging but weak correlations with plant height across row-types, indicating the possibility of improving lodging resistance independent of plant height. Using 50k iSelect SNP genotyping data, we conducted multi-environment genome-wide association studies using mixed model approach across the whole panel and row-type subsets: we identified a total of 192 QTLs for the studied traits, including subpopulation-specific QTLs and several main effect loci for culm traits showing negative effects on lodging without impacting plant height. Providing first insights into the genetic architecture of culm morphology in barley and the possible role of candidate genes involved in hormone and cell wall related pathways, this work supports the potential of loci underpinning culm features to improve lodging resistance and increase barley yield stability under changing environments. One-sentence summary Genetic analysis of a diverse collection of European barleys reveals genomic regions underpinning stem morphological features associated with lodging resistance.

Chromosome-scale genome sequence assemblies underpin pan-genomic studies. Recent genome assembly efforts in the large-genome Triticeae crops wheat and barley have relied on the commercial closed-source assembly algorithm DeNovoMagic. We have developed TRITEX, an open-source computational workflow that combines paired-end, mate-pair, 10X Genomics linked-read with chromosome conformation capture sequencing data to construct sequence scaffolds with megabase-scale contiguity ordered into chromosomal pseudomolecules. We evaluated the performance of TRITEX on publicly available sequence data of tetraploid wild emmer and hexaploid bread wheat, and constructed an improved annotated reference genome sequence assembly of the barley cultivar Morex as a community resource.

Faba bean is a widely adapted and high-yielding legume cultivated for its protein-rich seeds. However, the seeds accumulate the anti-nutritional pyrimidine glucosides vicine and convicine, which can cause haemolytic anaemia (favism) in the 400 million individuals genetically predisposed by a deficiency in glucose-6-phosphate dehydrogenase. Here, we identify the first enzyme associated with vicine and convicine biosynthesis, which we name VC1. We show that VC1 co-locates with the major QTL for vicine and convicine content and that the expression of VC1 correlates highly with vicine content across tissues. We also show that low-vicine varieties express a version of VC1 carrying a small, frame-shift insertion, and that overexpression of wild-type VC1 leads to an increase in vicine levels. VC1 encodes a functional GTP cyclohydrolase II, an enzyme normally involved in riboflavin biosynthesis from the purine GTP. Through feeding studies, we demonstrate that GTP is a precursor of vicine both in faba bean and in the distantly related plant bitter gourd. Our results reveal an unexpected biosynthetic origin for vicine and convicine and pave the way for the development of faba bean cultivars that are free from these anti-nutrients, providing a safe and sustainable source of dietary protein.

SUMMARY During drought, plants close their stomata at a critical soil water content (SWC), together with diverse physiological, developmental, and biochemical responses. Using precision-phenotyping lysimeters, we imposed pre-flowering drought on four barley varieties (Arvo, Golden Promise, Hankkija 673 and Morex) and followed their physiological responses. For Golden Promise, we carried out RNA-seq on leaf transcripts before and during drought, and during recovery, also examining retrotransposon BARE1 expression. Transcriptional data were subjected to network analysis. The varieties differed by their critical SWC, Hankkija 673 responding at the highest and Golden Promise at the lowest. Pathways connected to drought and salinity response were strongly upregulated during drought; pathways connected to growth and development were strongly downregulated. During recovery, growth and development pathways were upregulated; altogether 117 networked genes involved in ubiquitin-mediated autophagy were downregulated. The differential response to SWC suggests adaptation to distinct rainfall patterns. We identified several strongly differentially expressed genes not earlier associated with drought response in barley. BARE1 transcription is strongly transcriptionally upregulated by drought and downregulated during recovery unequally between the investigated cultivars. The downregulation of networked autophagy genes suggests a role for autophagy in drought response; its importance to resilience should be further investigated.

Cowpea (Vigna unguiculata [L.] Walp.) is a major crop for worldwide food and nutritional security, especially in sub-Saharan Africa, that is resilient to hot and drought-prone environments. A high-quality assembly of the single-haplotype inbred genome of cowpea IT97K-499-35 was developed by exploiting the synergies between single molecule real-time sequencing, optical and genetic mapping, and a novel assembly reconciliation algorithm. A total of 519 Mb is included in the assembled sequences. Nearly half of the assembled sequence is composed of repetitive elements, which are enriched within recombination-poor pericentromeric regions. A comparative analysis of these elements suggests that genome size differences between Vigna species are mainly attributable to changes in the amount of Gypsy retrotransposons. Conversely, genes are more abundant in more distal, high-recombination regions of the chromosomes; there appears to be more duplication of genes within the NBS-LRR and the SAUR-like auxin superfamilies compared to other warm-season legumes that have been sequenced. A surprising outcome of this study is the identification of a chromosomal inversion of 4.2 Mb among landraces and cultivars, which includes a gene that has been associated in other plants with interactions with the parasitic weed Striga gesnerioides. The genome sequence also facilitated the identification of a putative syntelog for multiple organ gigantism in legumes. A new numbering system has been adopted for cowpea chromosomes based on synteny with common bean (Phaseolus vulgaris).

Abstract Plants exhibit a wide array of responses and adaptive mechanisms to drought. During drought, the trade-off between water loss and CO 2 uptake for growth is mediated by the regulation of stomatal aperture in response to soil water content (SWC), among other factors. We earlier identified, in a few reference varieties of barley that differed by the SWC at which transpiration was curtailed, two divergent water use strategies: water-saving (“isohydric”) and water-spending (“anisohydric”). We proposed that an isohydric strategy may reduce risk from early droughts in climates where the probability of precipitation increases during the growing season, whereas an anisohydric strategy is consistent with environments having terminal droughts, or with those where dry periods are short and show little seasonal variation. Here, we have examined drought response in an 81-line barley diversity set that spans 20 th century European barley breeding and identified a several lines with a third, dynamic transpirational response to drought. We found a strong positive correlation between vigor and transpiration, the dynamic group being highest for both. However, these lines curtailed daily transpiration at a higher SWC than the isohydric group. While the dynamic lines, particularly cv Hydrogen and Baronesse, were not the most resilient in terms of restoring initial growth rates, their strong initial vigor and high return to initial transpiration rates meant that their growth nevertheless surpassed more resilient lines during recovery from drought. The results will be of use for defining barley physiological ideotypes suited to future climate scenarios.

ABSTRACT Motivation Drug-target interactions (DTIs) hold pivotal role in drug repurposing and elucidation of drug mechanisms of action. While single-targeted drugs have demonstrated clinical success, they often exhibit limited efficacy against complex diseases, such as cancers, whose development and treatment is dependent on several biological processes. Therefore, a comprehensive understanding of primary, secondary, and even inactive targets becomes essential in the quest for effective and safe treatments for cancer and other indications. The human proteome offers over a thousand druggable targets. Yet, most FDA-approved drugs bind with only a small fraction of disease targets. Results This study introduces an attention-based method to predict drug-target bioactivities for all human proteins across seven superfamilies. Nine different descriptor sets were meticulously examined to identify optimal signature descriptors for predicting novel DTIs. Our testing results demonstrated Spearman correlations exceeding 0.72 (P<0.001) for six out of seven superfamilies. The proposed method outperformed nine state-of-the-art deep learning and graph-based methods, and importantly, maintained relatively high performance for most target superfamilies when tested in independent sources of bioactivity data. We computationally validated 185,676 drug-target pairs from ChEMBL-V33, that were not available in model training, with a reasonable performance of Spearman correlation > 0.57 (P<0.001) for most superfamilies. This justifies the robustness of the proposed method for predicting novel DTIs. Finally, we applied our method to predict missing activities among 3,492 approved molecules in ChEMBL-V33, offering a valuable tool for advancing drug mechanism discovery and repurposing existing drugs for new indications. Availability and implementation The codes and training datasets to reproduce and extend the results are available at https://github.com/AronSchulman/MMAtt-DTA .