ABSTRACT High-throughput genotyping enables the large-scale analysis of genetic diversity in population genomics and genomewide association studies that combine the genotypic and phenotypic characterization of large collections of accessions. Sequencing-based approaches for genotyping are progressively replacing traditional genotyping methods due to the lower ascertainment bias. However, genome-wide genotyping based on sequencing becomes expensive in species with large genomes and a high proportion of repetitive DNA. Here we describe the use of CRISPR/Cas9 technology to deplete repetitive elements in the 3.76-Gb genome of lentil ( Lens culinaris ), 84% consisting of repeats, thus concentrating the sequencing data on coding and regulatory regions (single-copy regions). We designed a custom set of 566,766 gRNAs targeting 2.9 Gbp of repeats and excluding repetitive regions overlapping annotated genes and putative regulatory elements based on ATAC-Seq data. The novel depletion method removed ∼40% of reads mapping to repeats, increasing those mapping to single-copy regions by ∼2.6-fold. When analyzing 25 million fragments, this repeat-to-single-copy shift in the sequencing data increased the number of genotyped bases of ∼10-fold compared to non-depleted libraries. In the same condition, we were also able to identify ∼12-fold more genetic variants in the single-copy regions and increased the genotyping accuracy by rescuing thousands of heterozygous variants that otherwise would be missed due to low coverage. The method performed similarly regardless of the multiplexing level, type of library or genotypes, including different cultivars and a closely-related species ( L. orientalis ). Our results demonstrated that CRISPR/Cas9-driven repeat depletion focuses sequencing data on meaningful genomic regions, thus improving high-density and genome-wide genotyping in large and repetitive genomes.

Abstract The remarkable evolutionary history of the common bean ( Phaseolus vulgaris L. ) has led to the emergence of three wild main genepools corresponding to three different ecogeographic areas: Mesoamerica, the Andes and northern Peru/Ecuador. Recent works proposed novel scenarios and the northern Peru/Ecuador population has been described as a new species called P. debouckii, rekindling the debate about the origin of P. vulgaris . Here we shed light on the origin of P. vulgaris by analysing the chloroplast and nuclear genomes of a large varietal collection representing the entire geographical distribution of wild forms. We assembled 37 chloroplast genomes de novo and used them to construct a time frame for the divergence of the genotypes under investigation, revealing that the separation of the Mesoamerican and northern Peru/Ecuador genepools occurred ∼0.15 Mya. Our results clearly support a Mesoamerican origin of the common bean and reject the recent P. deboukii hypothesis. These results also imply two independent migratory events from Mesoamerica to the North and South Andes, probably facilitated by birds. Our work represents a paradigmatic example of the importance of taking into account recombination events when investigating phylogeny and of the analysis of wild forms when studying the evolutionary history of a crop species.

Abstract The domestication of crops is associated with the genome-wide loss of nucleotide diversity caused by selection and genetic drift. Here we investigated 32 genotypes representing key stages in the domestication of tetraploid wheat, i.e. wild emmer, emmer and durum wheat. RNA-Seq analysis was combined with estimates of evolvability, heritability and Q ST to characterize the plasticity of gene expression and its adaptive role in primary and secondary domestication under different nitrogen growth conditions. We confirmed the loss of nucleotide diversity and found that primary and secondary domestication affected gene expression diversity in different ways, influenced by nitrogen availability. We found that nitrogen starvation induced the expression of a larger number of genes in durum wheat compared to emmer and wild emmer. Q ST distributions and Q ST –F ST comparisons revealed distinct selection signatures at each domestication stage. While primary domestication affected the expression of genes involved in biotic interactions, secondary domestication was associated with changes in expression of genes involved in metabolism of amino acids, particularly lysine. Our combined results revealed genes specifically involved in nitrogen metabolism, such as glutamate dehydrogenase , with important role in early development, underwent selection during secondary domestication. Therefore, our findings show that nitrogen availability had a pivotal role during the domestication and adaptive responses of one of our major food crops, with varying effects across different traits.

The nature and effect of mutations are of fundamental importance to the evolutionary process. The generation of mutations with mutagens has also played important roles in genetics. Applications of mutagens include dissecting the genetic basis of trait variation, inducing desirable traits in crops, and understanding the nature of genetic load. Previous studies of sodium azide-induced mutations have reported single nucleotide variants (SNVs) found in individual genes. To characterize the nature of mutations induced by sodium azide, we analyze whole-genome sequencing (WGS) of 11 barley lines derived from sodium azide mutagenesis, where all lines were selected for diminution of plant fitness owing to induced mutations. We contrast observed mutagen-induced variants with those found in standing variation in WGS of 13 barley landraces. Here, we report indels that are two orders of magnitude more abundant than expected based on nominal mutation rates. We found induced SNVs are very specific, with C→T changes occurring in a context followed by another C on the same strand (or the reverse complement). The codons most affected by the mutagen include the sodium azide-specific CC motif (or the reverse complement), resulting in a handful of amino acid changes and relatively few stop codons. The specific nature of induced mutations suggests that mutagens could be chosen based on experimental goals. Sodium azide would not be ideal for gene knockouts but will create many missense mutations with more subtle effects on protein function.

The common bean (Phaseolus vulgaris L.) is an important grain legume crop [1,2] whose life history offers an ideal evolutionary model to identify adaptive variants suitable for breeding programs [3]. Here we present the first common bean pan-genome based on five high-quality genomes and whole-genome reads representing 339 genotypes. We found ~243 Mb of additional sequences containing 7,495 protein-coding genes missing from the reference, constituting 51% of the total presence/absence variations (PAVs). There were more putatively deleterious mutations in PAVs than core genes, probably reflecting the lower effective population size of PAVs as well as fitness advantages due to the purging effect of gene loss. Our results suggest pan-genome shrinkage occurred during wild range expansion from Mexico to South America, with more PAV loss per individual in Andean vs Mesoamerican populations. Selection during wild spreading and domestication was also associated with PAV loss involved in important adaptive traits. Our findings provide evidence that partial or complete gene loss was a key adaptive trait leading to localized and genome-wide reductions. This departs from established paradigms and reveals how evolutionary forces shape gene composition within plant genomes. The common bean pan-genome offers a valuable resource for legume research and breeding, climate change mitigation, and sustainable agriculture.

Abstract Domesticated crops have been disseminated by humans over vast geographic areas. After 1492, the common bean ( Phaseolus vulgaris L.) was introduced in Europe. Here, we combine whole-genome profiling, metabolic fingerprinting and phenotypic characterisation, and we show that the first common bean cultigens successfully introduced into Europe were of Andean origin, after Francisco Pizarro’s expedition to northern Peru in 1529. We show that hybridisation, selection and recombination have shaped the genomic diversity of the European common bean in parallel with political constraints. There is clear evidence of adaptive introgression into the Mesoamerican-derived European genotypes, with 44 Andean introgressed genomic segments shared by more than 90% of European accessions and distributed across all chromosomes except PvChr11. Genomic scans for signatures of selection highlight the role of genes relevant to flowering and environmental adaptation, suggesting that introgression has been crucial for the dissemination of this tropical crop to the temperate regions of Europe.

In intercropping system, the interplay between cereals and legumes, which is strongly driven by complementarity of below-ground structures and their interactions with the soil microbiome, raises a fundamental query: Can different genotypes alter the configuration of the rhizosphere microbial communities? To address this issue, we conducted a field study, probing the effects of intercropping and diverse maize (Zea mays L.) and beans (Phaseolus vulgaris L., Phaseolus coccineus L.) genotype combinations. Our results unveil that intercropping condition alters the rhizosphere bacterial communities, but that the degree of this impact is substantially affected by specific genotype combinations. Overall, intercropping allows the recruitment of exclusive bacterial species and enhance community complexity. Nevertheless, combinations of maize and beans genotypes determine two distinct groups characterized by higher or lower bacterial community diversity and complexity, which are influenced by the specific bean line associated. Moreover, intercropped maize lines exhibit varying propensities in recruiting bacterial members with more responsive lines showing preferential interactions with specific microorganisms. Our study conclusively shows that genotype has an impact on the rhizosphere microbiome and that a careful selection of genotype combinations for both species involved is essential to achieve compatibility optimization in intercropping.