Abstract Advances in genomics have expedited the improvement of several agriculturally important crops but similar efforts in wheat ( Triticum spp.) have been more challenging. This is largely owing to the size and complexity of the wheat genome 1 , and the lack of genome-assembly data for multiple wheat lines 2,3 . Here we generated ten chromosome pseudomolecule and five scaffold assemblies of hexaploid wheat to explore the genomic diversity among wheat lines from global breeding programs. Comparative analysis revealed extensive structural rearrangements, introgressions from wild relatives and differences in gene content resulting from complex breeding histories aimed at improving adaptation to diverse environments, grain yield and quality, and resistance to stresses 4,5 . We provide examples outlining the utility of these genomes, including a detailed multi-genome-derived nucleotide-binding leucine-rich repeat protein repertoire involved in disease resistance and the characterization of Sm1 6 , a gene associated with insect resistance. These genome assemblies will provide a basis for functional gene discovery and breeding to deliver the next generation of modern wheat cultivars.

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.

We present a chromosome-scale annotated assembly of the rye (Secale cereale L. inbred line 'Lo7') genome, which we use to explore Triticeae genomic evolution, and rye's superior disease and stress tolerance. The rye genome shares chromosome-level organization with other Triticeae cereals, but exhibits unique retrotransposon dynamics and structural features. Crop improvement in rye, as well as in wheat and triticale, will profit from investigations of rye gene families implicated in pathogen resistance, low temperature tolerance, and fertility control systems for hybrid breeding. We show that rye introgressions in wheat breeding panels can be characterised in high-throughput to predict the yield effects and trade-offs of rye chromatin.

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.

Background: Barley ( Hordeum vulgare ) is one of the most important crops worldwide and is also considered a research model for the large-genome small grain temperate cereals. Despite genomic resources improving all the time, they are limited for the cv. Golden Promise, the most efficient genotype for genetic transformation. Findings: We have developed a barley cv. Golden Promise reference assembly integrating Illumina paired-end reads, long mate-pair reads, Dovetail Chicago in vitro proximity ligation libraries and chromosome conformation capture sequencing (Hi-C) libraries into a contiguous reference assembly. The assembled genome of 7 chromosomes and 4.13Gb in size, has a super-scaffold N50 after Chicago libraries of 4.14Mb and contains only 2.2% gaps. Using BUSCO (benchmarking universal single copy orthologous genes) as evaluation the genome assembly contains 95.2% of complete and single copy genes from the plant database. Conclusions: A high-quality Golden Promise reference assembly will be useful and utilised by the whole barley research community but will prove particularly useful for CRISPR-Cas9 experiments.

Abstract A resistance gene atlas is an integral component of the breeder’s arsenal in the fight against evolving pathogens. Thanks to high-throughput sequencing, catalogues of resistance genes can be assembled even in crop species with large and polyploid genomes. Here, we report on capture sequencing and assembly of resistance gene homologs in a diversity panel of 907 winter wheat genotypes comprising ex situ genebank accessions and current elite cultivars. In addition, we use accurate long-read sequencing and chromosome conformation capture sequencing to construct a chromosome-scale genome sequence assembly of cv. Attraktion, an elite variety representative of European winter wheat. We illustrate the value of our resource for breeders and geneticists by (i) comparing the resistance gene complements in plant genetic resources and elite varieties and (ii) conducting genome-wide associations scans (GWAS) for the fungal diseases yellow rust and leaf rust using reference-based and reference-free GWAS approaches. The gene content under GWAS peaks was scrutinized in the assembly of cv. Attraktion.