Wild relatives of hexaploid wheat ( Triticum aestivum ) are the reservoirs of novel allelic diversity with great potential to improve many agronomic traits in wheat. Here, we investigated the genome-wide patterns and efficiency of Aegilops tauschii allele introgression into the winter wheat cultivars. The introgression population of 351 BC1F3:5 lines was selected based on phenology and development characteristics from crosses between six hexaploid wheat lines and 21 wheat- Ae. tauschii octoploids. Complexity reduced genomic library sequencing was used to develop SNP markers and infer the regions of identity-by-descent and the boundaries of the introgressed segments. Using a diverse panel of 116 Ae. tauschii accessions, it was possible to infer that introgression lines had single or multiple IBD segments from accessions of diverse geographic origin. Introgression frequency was high at the ends of chromosomes and low in the large pericentromeric 2/3 of the chromosome arms characterized by low crossover rate. While the effect of selection for free-threshing genotypes was evident around the domestication gene Tg , reduction in the frequency of introgression was limited to relatively small regions flanking the gene. These results suggest that the effects of phenotypic selection on the introgressed wild relative's alleles at the early generations of population development are strongly influenced by the distribution of crossover frequency across genome, consistent with the Hill-Robertson effect. Our study offers insights into the introgression population development to ensure retention of genetic diversity across entire genome and presents a resource that will be valuable for deploying wild relative diversity in breeding programs to create climate resilient and disease resistant varieties with improved yield and quality traits.

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.

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.