Wheat (Triticum spp.) is one of the founder crops that likely drove the Neolithic transition to sedentary agrarian societies in the Fertile Crescent more than 10,000 years ago. Identifying genetic modifications underlying wheat's domestication requires knowledge about the genome of its allo-tetraploid progenitor, wild emmer (T. turgidum ssp. dicoccoides). We report a 10.1-gigabase assembly of the 14 chromosomes of wild tetraploid wheat, as well as analyses of gene content, genome architecture, and genetic diversity. With this fully assembled polyploid wheat genome, we identified the causal mutations in Brittle Rachis 1 (TtBtr1) genes controlling shattering, a key domestication trait. A study of genomic diversity among wild and domesticated accessions revealed genomic regions bearing the signature of selection under domestication. This reference assembly will serve as a resource for accelerating the genome-assisted improvement of modern wheat varieties.

Stem rust caused by Puccinia graminis f. sp. tritici was among the most devastating diseases of barley in the northern Great Plains of the U.S. and Canada before the deployment of the stem rust-resistance gene Rpg1 in 1942. Since then, Rpg1 has provided durable protection against stem rust losses in widely grown barley cultivars (cvs.). Extensive efforts to clone Rpg1 by synteny with rice provided excellent flanking markers but failed to yield the gene because it does not seem to exist in rice. Here we report the map-based cloning and characterization of Rpg1 . A high-resolution genetic map constructed with 8,518 gametes and a 330-kb bacterial artificial chromosome contig physical map positioned the gene between two crossovers ≈0.21 centimorgan and 110 kb apart. The region including Rpg1 was searched for potential candidate genes by sequencing low-copy probes. Two receptor kinase-like genes were identified. The candidate gene alleles were sequenced from resistant and susceptible cvs. Only one of the candidate genes showed a pattern of apparently functional gene structure in the resistant cvs. and defective gene structure in the susceptible cvs. identifying it as the Rpg1 gene. Rpg1 encodes a receptor kinase-like protein with two tandem protein kinase domains, a novel structure for a plant disease-resistance gene. Thus, it may represent a new class of plant resistance genes.

Disease resistance (R) genes from wild relatives could be used to engineer broad-spectrum resistance in domesticated crops. We combined association genetics with R gene enrichment sequencing (AgRenSeq) to exploit pan-genome variation in wild diploid wheat and rapidly clone four stem rust resistance genes. AgRenSeq enables R gene cloning in any crop that has a diverse germplasm panel.

Abstract Aegilops tauschii, the diploid wild progenitor of the D-subgenome of bread wheat, constitutes a reservoir of genetic diversity for improving bread wheat performance and environmental resilience. To better define and understand this diversity, we sequenced 242 Ae. tauschii accessions and compared them to the wheat D-subgenome. We characterized a rare, geographically-restricted lineage of Ae. tauschii and discovered that it contributed to the wheat D-subgenome, thereby elucidating the origin of bread wheat from at least two independent hybridizations. We then used k -mer-based association mapping to identify discrete genomic regions with candidate genes for disease and pest resistance and demonstrated their functional transfer into wheat by transgenesis and wide crossing, including the generation of a library of ‘synthetic’ hexaploids incorporating diverse Ae. tauschii genomes. This pipeline permits rapid trait discovery in the diploid ancestor through to functional genetic validation in a hexaploid background amenable to breeding.

ABSTRACT Plant biotrophic pathogen disease resistances rely on immunity receptor-mediated programmed cell death (PCD) responses, but specialized necrotrophic/hemi-biotrophic pathogens hijack these mechanisms to colonize the resulting dead tissue in their necrotrophic phase. Thus, immunity receptors can become necrotrophic pathogen dominant susceptibility targets but resistance mechanisms that resist necrotroph manipulation are recessive resistance genes. The barley rcs5 QTL imparts recessive resistance against the disease spot blotch caused by the hemi-biotrophic fungal pathogen Bipolaris sorokiniana . The rcs5 genetic interval was delimited to ~0.23 cM, representing an ~234 kb genomic region containing four wall-associated kinase (WAK) genes, designated HvWak2, Sbs1, Sbs2 ( s usceptibility to B ipolaris s orokiniana 1 & 2 ), and HvWak5 . Post-transcriptional gene silencing of Sbs1 & 2 in susceptible barley cultivars resulted in resistance showing dominant susceptibility function. Allele analysis of Sbs1 & 2 from resistant and susceptible barley cultivars identified sequence polymorphisms associated with phenotypes in their primary coding sequence and promoter regions, suggesting differential transcriptional regulation may contribute to susceptibility. Transcript analysis of Sbs1 & 2 showed nearly undetectable expression in resistant and susceptible cultivars prior to pathogen challenge; however, upregulation of both genes occurred specifically in susceptible cultivars post-inoculation with a virulent isolate. Apoplastic wash fluids collected from barley infected with a virulent isolate induced Sbs1 , suggesting regulation by an apoplastic-secreted effector. Thus, Sbs1 &2 function as B. sorokiniana susceptibility targets and non-functional alleles or alleles that resist induction by the pathogen mediate rcs5- recessive resistance. The sbs1 & 2 alleles underlying the rcs5 QTL that the pathogen is unable to manipulate are the first resistance genes identified against spot blotch. SIGNIFICANCE STATEMENT The rcs5 locus in barley confers a high level of seedling resistance and a moderate level of adult plant resistance to spot blotch. It is part of a complex that has provided durable spot blotch resistance in many North American barley cultivars (cv) for more than 50 years. Genetic characterization and positional cloning of rcs5 identified the dominant susceptibility genes, Sbs1 and Sbs2 (susceptibility to Bipolaris sorokiniana 1 and 2) as wall-associated kinases. These genes are hijacked by the hemibiotrophic pathogen in its necrotrophic phase to induce programmed cell death, facilitating disease development. We report the first spot blotch resistance/susceptibility genes cloned that function via alleles that cannot be specifically induced and hijacked by virulent isolates of the pathogen.

Abstract Advances in sequencing technologies as well as development of algorithms and workflows have made it possible to generate fully phased genome references for organisms with non-haploid genomes such as dikaryotic rust fungi. To enable discovery of pathogen effectors and further our understanding of virulence evolution, we generated a chromosome-scale assembly for each of the two nuclear genomes of the oat crown rust pathogen, Puccinia coronata f. sp. avenae ( Pca ). This resource complements two previous released partially phased genome references of Pca , which display virulence traits absent in the isolate of historic race 203 (isolate Pca 203) which was selected for this genome project. A fully phased, chromosome-level reference for Pca 203 was generated using PacBio reads and Hi-C data and a recently developed pipeline named NuclearPhaser for phase assignment of contigs and phase switch correction. With 18 chromosomes in each haplotype and a total size of 208.10 Mbp, Pca 203 has the same number of chromosomes as other cereal rust fungi such as Puccinia graminis f. sp. tritici and Puccinia triticina , the causal agents of wheat stem rust and wheat leaf rust, respectively. The Pca 203 reference marks the third fully-phased chromosome-level assembly of a cereal rust to date. Here, we demonstrate that the chromosomes of these three Puccinia species are syntenous and that chromosomal size variations are primarily due to differences in repeat element content.

Bread wheat (Triticum aestivum) is a globally dominant crop and major source of calories and proteins for the human diet. Compared with its wild ancestors, modern bread wheat shows lower genetic diversity, caused by polyploidisation, domestication and breeding bottlenecks1,2. Wild wheat relatives represent genetic reservoirs, and harbour diversity and beneficial alleles that have not been incorporated into bread wheat. Here we establish and analyse extensive genome resources for Tausch's goatgrass (Aegilops tauschii), the donor of the bread wheat D genome. Our analysis of 46 Ae. tauschii genomes enabled us to clone a disease resistance gene and perform haplotype analysis across a complex disease resistance locus, allowing us to discern alleles from paralogous gene copies. We also reveal the complex genetic composition and history of the bread wheat D genome, which involves contributions from genetically and geographically discrete Ae. tauschii subpopulations. Together, our results reveal the complex history of the bread wheat D genome and demonstrate the potential of wild relatives in crop improvement. Analysis of 46 newly sequenced or re-sequenced Tausch's goatgrass (Aegilops tauschii) accessions establishes the origin of the bread wheat (Triticum aestivum) D genome from genetically and geographically discrete Ae. tauschii subpopulations.

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.

Abstract Basidiomycetes like rust fungi have complex reproductive cycles and dikaryotic life stages which influence their population structure and evolution. Puccinia coronata f. sp. avenae ( Pca ), the causal agent of oat crown rust, is a pathogen of global economic importance. To investigate the genetic diversity of the species, as well as the role of mating type system and nuclear exchange (somatic hybridization) in host adaptation of Pca we acquired whole genome sequencing data of Taiwanese and Australian isolates, adding to existing data for USA and South African populations. An atlas of 30 chromosome-level, fully-phased nuclear haplotypes from six USA isolates and nine Australian isolates was generated to capture the genomic composition of key oat crown rust lineages. This study provides evidence of nuclear exchange and recombination of haplotypes in both the USA and Australian Pca populations as mechanisms for the introduction of genetic diversity. The limitations of assuming clonal evolutionary history from virulence phenotyping is demonstrated by the detection of either sexual or cryptic genetic recombination in the Pca Australian population. Overall, the characterization of intercontinental migration of Pca at the haplotype level provides further impetus for molecular monitoring of rust pathogen populations on a global scale.