Insights from the annotated wheat genome Wheat is one of the major sources of food for much of the world. However, because bread wheat's genome is a large hybrid mix of three separate subgenomes, it has been difficult to produce a high-quality reference sequence. Using recent advances in sequencing, the International Wheat Genome Sequencing Consortium presents an annotated reference genome with a detailed analysis of gene content among subgenomes and the structural organization for all the chromosomes. Examples of quantitative trait mapping and CRISPR-based genome modification show the potential for using this genome in agricultural research and breeding. Ramírez-González et al. exploited the fruits of this endeavor to identify tissue-specific biased gene expression and coexpression networks during development and exposure to stress. These resources will accelerate our understanding of the genetic basis of bread wheat. Science , this issue p. eaar7191 ; see also p. eaar6089

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.

Barley (Hordeum vulgare L.) is among the world’s earliest domesticated and most important crop plants. It is diploid with a large haploid genome of 5.1 gigabases (Gb). Here we present an integrated and ordered physical, genetic and functional sequence resource that describes the barley gene-space in a structured whole-genome context. We developed a physical map of 4.98 Gb, with more than 3.90 Gb anchored to a high-resolution genetic map. Projecting a deep whole-genome shotgun assembly, complementary DNA and deep RNA sequence data onto this framework supports 79,379 transcript clusters, including 26,159 ‘high-confidence’ genes with homology support from other plant genomes. Abundant alternative splicing, premature termination codons and novel transcriptionally active regions suggest that post-transcriptional processing forms an important regulatory layer. Survey sequences from diverse accessions reveal a landscape of extensive single-nucleotide variation. Our data provide a platform for both genome-assisted research and enabling contemporary crop improvement. An integrated high-resolution genetic, physical and shotgun sequence assembly of the barley genome, one of the earliest domesticated and most important crops, is described; it will provide a platform for genome-assisted research and future crop improvement. Two groups in this issue report the compilation and analysis of the genome sequences of major cereal crops — bread wheat and barley — providing important resources for future crop improvement. Bread wheat accounts for one-fifth of the calories consumed by humankind. It has a very large and complex hexaploid genome of 17 Gigabases. Michael Bevan and colleagues have analysed the genome using 454 pyrosequencing and compared it with diploid ancestral and progenitor genomes. The authors discovered significant loss of gene family members upon polyploidization and domestication, and expansion of gene classes that may be associated with crop productivity. Barley is one of the earliest domesticated plant crops. Although diploid, it has a very large genome of 5.1 Gigabases. Nils Stein and colleagues describe a physical map anchored to a high-resolution genetic map, on top of which they have overlaid a deep whole-genome shotgun assembly, cDNA and RNA-seq data to provide the first in-depth genome-wide survey of the barley genome.

Cereal grasses of the Triticeae tribe have been the major food source in temperate regions since the dawn of agriculture. Their large genomes are characterized by a high content of repetitive elements and large pericentromeric regions that are virtually devoid of meiotic recombination. Here we present a high-quality reference genome assembly for barley (Hordeum vulgare L.). We use chromosome conformation capture mapping to derive the linear order of sequences across the pericentromeric space and to investigate the spatial organization of chromatin in the nucleus at megabase resolution. The composition of genes and repetitive elements differs between distal and proximal regions. Gene family analyses reveal lineage-specific duplications of genes involved in the transport of nutrients to developing seeds and the mobilization of carbohydrates in grains. We demonstrate the importance of the barley reference sequence for breeding by inspecting the genomic partitioning of sequence variation in modern elite germplasm, highlighting regions vulnerable to genetic erosion. The International Barley Genome Sequencing Consortium reports sequencing and assembly of a reference genome for barley, Hordeum vulgare. Triticeae grasses, which include barley, wheat and rye, are widely cultivated plants with particularly complex genomes and evolutionary histories. Sequencing of the barley genome has been particularly challenging owing to its large size and particular genomic features, such as an abundance of repetitive elements. Nils Stein and colleagues of the International Barley Genome Sequencing Consortium report sequencing and assembly of a reference genome for barley (Hordeumvulgare L). They use a combined approach of hierarchical shotgun sequencing of bacterial artificial chromosomes, genome mapping on nanochannel arrays and chromosome-scale scaffolding with Hi-C sequencing. This brings the first comprehensive, completely ordered assembly of the pericentromeric regions of a Triticeae genome. The authors also sequenced and examined genetic diversity in the exomes of 96 European elite barley lines with a spring or winter growth habit, and highlight the utility of this resource for cereal genomics and breeding programs.

Insights from the annotated wheat genome Wheat is one of the major sources of food for much of the world. However, because bread wheat's genome is a large hybrid mix of three separate subgenomes, it has been difficult to produce a high-quality reference sequence. Using recent advances in sequencing, the International Wheat Genome Sequencing Consortium presents an annotated reference genome with a detailed analysis of gene content among subgenomes and the structural organization for all the chromosomes. Examples of quantitative trait mapping and CRISPR-based genome modification show the potential for using this genome in agricultural research and breeding. Ramírez-González et al. exploited the fruits of this endeavor to identify tissue-specific biased gene expression and coexpression networks during development and exposure to stress. These resources will accelerate our understanding of the genetic basis of bread wheat. Science , this issue p. eaar7191 ; see also p. eaar6089

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.

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.

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.

The domestication of wild emmer wheat led to the selection of modern durum wheat, grown mainly for pasta production. We describe the 10.45 gigabase (Gb) assembly of the genome of durum wheat cultivar Svevo. The assembly enabled genome-wide genetic diversity analyses revealing the changes imposed by thousands of years of empirical selection and breeding. Regions exhibiting strong signatures of genetic divergence associated with domestication and breeding were widespread in the genome with several major diversity losses in the pericentromeric regions. A locus on chromosome 5B carries a gene encoding a metal transporter (TdHMA3-B1) with a non-functional variant causing high accumulation of cadmium in grain. The high-cadmium allele, widespread among durum cultivars but undetected in wild emmer accessions, increased in frequency from domesticated emmer to modern durum wheat. The rapid cloning of TdHMA3-B1 rescues a wild beneficial allele and demonstrates the practical use of the Svevo genome for wheat improvement. Genome assembly of durum wheat cultivar Svevo enables genome-wide genetic diversity analyses highlighting modifications imposed by thousands of years of empirical selection and breeding.

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.