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 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 In barley, the transition from the vegetative to reproductive phase is complex and under the control of photoperiodic and temperature conditions. One major gene involved is PPD-H1 , a PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 7 ( PRR7 ) that encodes a component of the circadian clock. Mutation at PPD-H1 resulted in the photoperiod non-responsive ppd-H1 alleles that are beneficial under high latitudinal environments as they allow vegetative growth during the long-day summer conditions whereby higher yields are harvested by farmers. Utilizing a diverse GWAS panel of world-wide origin and a genome-wide gene-based set of 50K SNP markers, a strong association of days to heading with the PPD-H1 gene was detected in multi-location field trials. Re-sequencing of the gene spanning putative causative SNPs, SNP22 (Turner et al. 2005) and SNP48 (Jones et al. 2008), detected recombination between the two, previously reported to be in complete LD. Phenotyping of the recombinants and phylogenetic relationships among haplotypes supported the original conclusion of Turner et al. (2005) that SNP22, present in the CCT domain, is the most likely causative SNP. To infer the origin of non-responsiveness, the PPD-H1 gene was re-sequenced in a geo-referenced collection of 2057 wild and domesticated barleys and compared with the allelic status of the 6000-year-old barley sample from the Yoram cave in the Masada cliff. A monophyletic and post-domestication origin in the Fertile Crescent was found in contrast to the pre-domestication origin proposed by Jones et al. (2008). We show that the photoperiod non-responsiveness originated from Desert type wild barley in the Southern Levant.

Summary The higher-order organization of metaphase chromosomes has been debated for almost 140 years. Classical light and electron microscopy studies suggested that chromatids are composed of helically organized chromatin fibers (chromonemata). Non-helical models were also recently proposed. We studied chromosome organization in barley using cutting-edge approaches and obtained evidence for a helically arranged 400-nm chromatin fiber representing the chromonema within chromatid arms. The number of turns is positively correlated with arm length. Turn size and chromatin density decrease towards the telomeres. Due to their specialized functions, the helical organization of centromeres and nucleolus-organizing regions is interrupted by several thinner, straight chromatin fibers. A comparison with previously published data indicates that the helical turning of metaphase chromatid arms is a conserved feature of large eukaryotic chromosomes.

Abstract The great efforts spent in the maintenance of past diversity in genebanks are rationalized by the potential role of plant genetic resources in future crop improvement – a concept whose practical implementation has fallen short of expectations. Here, we implement genomics-informed parent selection to expedite pre-breeding without discriminating against non-adapted germplasm. We collect dense genetic profiles for a large winter wheat collection and evaluate grain yield and resistance to yellow rust in representative coresets. Genomic prediction within and across genebanks identified the best parents for PGR x elite derived crosses that outyielded current elite cultivars in multiple field trials.

Abstract Aegilops is a close relative of wheat ( Triticum spp.), and Aegilops species in the section Sitopsis represent a rich reservoir of genetic diversity for improvement of wheat. To understand their diversity and advance their utilization, we produced whole-genome assemblies of Ae. longissima and Ae. speltoides . Whole-genome comparative analysis, along with the recently sequenced Ae. sharonensis genome, showed that the Ae. longissima and Ae. sharonensis genomes are highly similar and most closely related to the wheat D subgenome. By contrast, the Ae. speltoides genome is more closely related to the B subgenome. Haplotype block analysis supported the idea that Ae. speltoides is the closest ancestor of the wheat B subgenome and highlighted variable and similar genomic regions between the three Aegilops species and wheat. Genome-wide analysis of nucleotide-binding site leucine-rich repeat (NLR) genes revealed species-specific and lineage-specific NLR genes and variants, demonstrating the potential of Aegilops genomes for wheat improvement. Teaser Genome sequences of Aegilops species provides a key for efficient exploitation of this rich genetic resource in wheat improvement.

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 Double haploid production is the most effective way of creating true-breeding lines in a single generation. In Arabidopsis , haploid induction via mutation of the centromere-specific histone H3 (cenH3) has been shown when outcrossed to wild-type. Here we report that a mutant of the cenH3 assembly factor KNL2 can be used as a haploid inducer. We elucidated that short temperature stress of the knl2 mutant increased the efficiency of haploid induction from 1 to 10%. Moreover, we have demonstrated that a point mutation in the CENPC-k motif of KNL2 is sufficient to generate haploid inducing lines, suggesting that haploid inducing lines in crops can be identified in a naturally occurring or chemically induced mutant population, avoiding the GMO approach at any stage. In addition, we have shown that the cenh3-4 mutant, which does not induce haploids under standard growth conditions, functions as a haploid inducer after exposure to short temperature stress.

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.

Abstract The centromere is the chromosome region where the microtubules attach during cell division. In contrast to monocentric chromosomes with one centromere location, holocentric species usually distribute hundreds of centromere units along the entire chromatid. We assembled the chromosome-scale reference genome and analyzed the holocentromere and (epi)genome organization of the lilioid Chionographis japonica. Remarkably, each of its holocentric chromatids consists of only 7 to 11 evenly-spaced megabase-sized centromere-specific histone H3-positive units. These units contain satellite arrays of 23 and 28 bp-long monomers capable of forming palindromic structures. Like monocentric species, C. japonica forms distinctly clustered centromeres in chromocenters at interphase. Additionally, the large-scale eu- and heterochromatin arrangement differs between C. japonica and other known holocentric species. Using polymer simulations, we modeled the formation of prometaphase line-like holocentromeres from interphase centromere clusters. Our findings broaden the knowledge about the diversity of centromere organization, showing that holocentricity is not restricted to species with numerous and small centromere units.