Abstract Genetic diversity is key to crop improvement. Owing to pervasive genomic structural variation, a single reference genome assembly cannot capture the full complement of sequence diversity of a crop species (known as the ‘pan-genome’ 1 ). Multiple high-quality sequence assemblies are an indispensable component of a pan-genome infrastructure. Barley ( Hordeum vulgare L.) is an important cereal crop with a long history of cultivation that is adapted to a wide range of agro-climatic conditions 2 . Here we report the construction of chromosome-scale sequence assemblies for the genotypes of 20 varieties of barley—comprising landraces, cultivars and a wild barley—that were selected as representatives of global barley diversity. We catalogued genomic presence/absence variants and explored the use of structural variants for quantitative genetic analysis through whole-genome shotgun sequencing of 300 gene bank accessions. We discovered abundant large inversion polymorphisms and analysed in detail two inversions that are frequently found in current elite barley germplasm; one is probably the product of mutation breeding and the other is tightly linked to a locus that is involved in the expansion of geographical range. This first-generation barley pan-genome makes previously hidden genetic variation accessible to genetic studies and breeding.

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.

Pangenomes are collections of annotated genome sequences of multiple individuals of a species. The structural variants uncovered by these datasets are a major asset to genetic analysis in crop plants. Here, we report a pangenome of barley comprising long-read sequence assemblies of 76 wild and domesticated genomes and short-read sequence data of 1,315 genotypes. An expanded catalogue of sequence variation in the crop includes structurally complex loci that have become hot spots of gene copy number variation in evolutionarily recent times. To demonstrate the utility of the pangenome, we focus on four loci involved in disease resistance, plant architecture, nutrient release, and trichome development. Novel allelic variation at a powdery mildew resistance locus and population-specific copy number gains in a regulator of vegetative branching were found. Expansion of a family of starch-cleaving enzymes in elite malting barleys was linked to shifts in enzymatic activity in micro-malting trials. Deletion of an enhancer motif is likely to change the developmental trajectory of the hairy appendages on barley grains. Our findings indicate that rapid evolution at structurally complex loci may have helped crop plants adapt to new selective regimes in agricultural ecosystems.

Summary Vascular plants segment their body axis with iterative nodes of lateral branches and internodes. Appropriate node initiation and internode elongation are fundamental to plant fitness and crop yield formation; but how they are spatiotemporally coordinated remains elusive. We show that in barley ( Hordeum vulgare L.), selections under domestication have extended the apical meristematic phase to promote node initiation, but constrained subsequent internode elongation. In both vegetative and reproductive axes, internode elongation displays a dynamic proximal – distal gradient, and among subpopulations of domesticated barleys at the global range, node initiation and proximal internode elongation are associated with latitudinal and longitudinal gradients, respectively. Genetic and functional analysis suggest that, in addition to their converging roles in node initiation, flowering time genes are repurposed to specify the dynamic internode elongation. Our study provides an integrated view of barley node initiation and internode elongation, and suggests that plant architecture has to be recognized as dynamic phytomeric units in the context of crop evolution.

Abstract In the realm of agricultural sustainability, the utilization of plant genetic resources (PGRs) for enhanced disease resistance is paramount. Preservation efforts in genebanks are justified by their potential contributions to future crop improvement. To capitalize on the potential of PGRs, we focused on a barley core collection from the German ex situ genebank, and contrasted it with a European elite collection. The phenotypic assessment included 812 PGRs and 298 elites with a particular emphasis on four disease traits (Puccinia hordei, Blumeria graminis hordei, Ramularia collo-cygni, and Rhynchosporium commune). An integrated genome-wide association study, employing both Bayesian-information and Linkage-disequilibrium Iteratively Nested Keyway (BLINK) and a linear mixed model, was performed to unravel the genetic underpinnings of disease resistance. A total of 932 marker-trait associations were identified and assigned to 49 quantitative trait loci. The accumulation of novel and rare resistance alleles significantly bolstered the overall resistance level in PGRs. Three PGR donors with high counts of novel/rare alleles and exhibited exceptional resistance to leaf rust and powdery mildew were identified, offering promise for targeted pre-breeding goals and enhanced resilience in forthcoming varieties. Our findings underscore the critical contribution of PGRs to strengthening crop resilience and advancing sustainable agricultural practices.