The TaGW2 gene homoeologues have been reported to be negative regulators of grain size (GS) and thousand grain weight (TGW) in wheat. However, the contribution of each homoeologue to trait variation among different wheat cultivars is not well documented. We used the CRISPR-Cas9 system and TILLING to mutagenize each homoeologous gene copy in cultivars Bobwhite and Paragon, respectively. Plants carrying single-copy nonsense mutations in different genomes showed different levels of GS/TGW increase, with TGW increasing by an average of 5.5% (edited lines) and 5.3% (TILLING mutants). In any combination, the double homoeologue mutants showed higher phenotypic effects than the respective single-genome mutants. The double mutants had on average 12.1% (edited) and 10.5% (TILLING) higher TGW with respect to wild-type lines. The highest increase in GS and TGW was shown for triple mutants of both cultivars, with increases of 16.3% (edited) and 20.7% (TILLING) in TGW. The additive effects of the TaGW2 homoeologues were also demonstrated by the negative correlation between the functional gene copy number and GS/TGW in Bobwhite mutants and an F2 population. The highest single-genome increases in GS and TGW in Paragon and Bobwhite were obtained by mutations in the B and D genomes, respectively. These inter-cultivar differences in the phenotypic effects between the TaGW2 gene homoeologues coincide with inter-cultivar differences in the homoeologue expression levels. These results indicate that GS/TGW variation in wheat can be modulated by the dosage of homoeologous genes with inter-cultivar differences in the magnitude of the individual homoeologue effects.

Summary Prioritizing wild relative diversity for improving crop adaptation to emerging drought-prone environments is challenging. Here, we combined the genome-wide environmental scans (GWES) in wheat diploid ancestor Aegilops tauschii with allele testing in the genetic backgrounds of adapted cultivars to identify new diversity for improving wheat adaptation to water-limiting conditions. Evaluation of adaptive allele effects was carried out in Ae. tauschii -wheat introgression lines (ILs) phenotyped for multiple agronomic traits under irrigated and water-limiting conditions using both UAS-based imaging and conventional approaches. The GWES showed that climatic gradients alone explain most (57.8%) of genomic variation in Ae. tauschii , with many alleles associated with climatic factors in Ae. tauschii being linked with improved performance of ILs under water-limiting conditions. The most significant GWES SNP located on chromosome 4D and associated with temperature annual range was linked with reduced canopy temperature in ILs. Our results suggest that (i) introgression of climate-adaptive alleles from Ae. tauschii have potential to improve wheat performance under water-limiting conditions, (ii) variants controlling physiological processes responsible for maintaining leaf temperature are likely among the targets of adaptive selection in a wild relative, and (iii) adaptive variation uncovered by GWES in wild relatives has potential to improve climate resilience of crop varieties.

The grain size in cereals is one of the main component traits contributing to yield. Previous studies showed that loss-of-function (LOF) mutations in GS3, encoding Gγ subunit of the multimeric G protein complex, increase grain size and weight in rice. While association between allelic variation in GS3 homologs of wheat and grain weight/size was detected previusly, the effects of LOF alleles on these traits remain unknown. We used genome editing to create the TaGS3 mutant lines with the LOF homeo-allele dosage variation. Contrary to results obtained for rice, editing of all three TaGS3 copies result in significant decrease in grain length, width, grain area and weight, without affecting number of grains per spike. Compared to wild type, the highest increase in grain weight and area was observed in mutants with the intermediate dosage of the LOF alleles, indicating that suppressive effects of TaGS3 on grain size and weight in wheat are dosage-dependent and non-additive. Our results suggest that TaGS3 likely represents a functionally diverged homolog of GS3 evolved in the wheat lineage. The newly developed LOF alleles of TaGS3 expand the set of CRISPR-Cas9-induced variants of yield component genes that could be used for increasing grain weight in wheat.

Abstract Introgression from wild relatives have a great potential to broaden beneficial allelic diversity available for crop improvement in breeding programs. Here, we assessed the impact of introgression from 21 diverse accessions of Aegilops tauschii , the diploid ancestor of the wheat D genome, into six hard red winter wheat cultivars on yield and yield component traits. We used 5.2 million imputed D genome SNPs identified by whole-genome sequencing of parental lines and the sequence-based genotyping of introgression population including 351 BC 1 F 3:5 lines. Phenotyping data collected from the irrigated and non-irrigated field trials revealed that up to 23% of the introgression lines produce more grain than the parents and check cultivars. Based on sixteen yield stability statistics, the yield of twelve introgression lines (3.4%) was stable across treatments, years and locations; five of these lines were also high yielding, producing 9.8% more grain than the average yield of check cultivars. The most significant SNP-trait and haplotype-trait associations were identified on chromosome arms 2DS and 6DL for spikelet number per spike (SNS), on chromosome arms 2DS, 3DS, 5DS and 7DS for grain length and on chromosome arms 1DL, 2DS, 6DL and 7DS for grain width. Introgression of haplotypes from Ae. tauschii parents was associated with increase in SNS, which positively correlated with heading date, whereas haplotypes from hexaploid wheat parents were associated with increased grain width. We show that haplotypes on 2DS associated with increased spikelet number and heading date are linked with multiple introgressed alleles of Ppd-D1 identified by the whole-genome sequencing of the Ae. tauschii parents. While some introgressed haplotypes exhibited significant pleiotropic effects with the direction of effects on the yield component traits being largely consistent with the previously reported trade-offs, there were haplotype combinations associated with the positive trends in yield. The characterized repertoire of the introgressed haplotypes derived from Ae. tauschii accessions with the combined positive effects on yield and yield components traits in elite germplasm provides a valuable source of alleles for improving the productivity of winter wheat by optimizing the contribution of component traits to yield.