Modern sugarcanes are polyploid interspecific hybrids, combining high sugar content from Saccharum officinarum with hardiness, disease resistance and ratooning of Saccharum spontaneum. Sequencing of a haploid S. spontaneum, AP85-441, facilitated the assembly of 32 pseudo-chromosomes comprising 8 homologous groups of 4 members each, bearing 35,525 genes with alleles defined. The reduction of basic chromosome number from 10 to 8 in S. spontaneum was caused by fissions of 2 ancestral chromosomes followed by translocations to 4 chromosomes. Surprisingly, 80% of nucleotide binding site-encoding genes associated with disease resistance are located in 4 rearranged chromosomes and 51% of those in rearranged regions. Resequencing of 64 S. spontaneum genomes identified balancing selection in rearranged regions, maintaining their diversity. Introgressed S. spontaneum chromosomes in modern sugarcanes are randomly distributed in AP85-441 genome, indicating random recombination among homologs in different S. spontaneum accessions. The allele-defined Saccharum genome offers new knowledge and resources to accelerate sugarcane improvement. Sequencing of haploid sugarcane, Saccharum spontaneum, allows assembly of a prototypical version of the sugarcane chromosome set. This new reference genome will serve as a resource to accelerate sugarcane improvement.

ABSTRACT Orphan genes (OGs) are protein-coding genes that are restricted to particular clades or species and lack homology with genes from other organisms, making their biological function difficult to predict. OGs can rapidly originate and become functional; consequently, they may support rapid adaptation to environmental changes. Extensive spread of mobile elements, and whole genome duplication, occurred in the Saccharum group, which may have contributed to the origin and diversification of OGs in the sugarcane genome. Here, we identified and characterized OGs in sugarcane, examined their expression profiles across tissues and genotypes, and investigated their regulation under varying conditions. We identified 319 OGs in the Saccharum spontaneum genome without detected homology to protein-coding genes in green plants, except those belonging to Saccharinae. Transcriptomic analysis showed 288 sugarcane OGs with detectable expression levels in at least one tissue or genotype. We observed similar expression patterns of OGs in sugarcane genotypes originating from the closest geographical locations. We also observed tissue-specific expression of some OGs, possibly indicating a complex regulatory process for maintaining diverse functional activity of these genes across sugarcane tissues and genotypes. Sixty-six OGs were differentially expressed under stress conditions, especially cold and osmotic stresses. Gene co-expression network and functional enrichment analyses suggested that sugarcane OGs may be involved in several biological mechanisms, including stimulus response and defence mechanisms. These findings provide a valuable genomic resource for sugarcane researchers, especially those interested in selecting stress-responsive genes.

Abstract Elucidating the intricacies of the sugarcane genome is essential for breeding superior cultivars. This economically important crop originates from hybridizations of highly polyploid Saccharum species. However, the large size (10 Gb), high polyploidy, and aneuploidy of the sugarcane genome pose significant challenges to complete genome sequencing, assembly, and annotation. One successful strategy for identifying candidate genes linked to agronomic traits, particularly those associated with sugar accumulation, leverages synteny and potential collinearity with related species. In this study, we explored synteny between sorghum and sugarcane. Genes from a sorghum Brix QTL were used to screen bacterial artificial chromosome (BAC) libraries from two Brazilian sugarcane varieties (IACSP93-3046 and SP80-3280). The entire region was successfully recovered, confirming synteny and collinearity between the species. Manual annotation identified 51 genes in the hybrid varieties that were subsequently confirmed to be present in Saccharum spontaneum . To identify candidate genes for sugar accumulation, this study employed a multifaceted approach, including retrieving the genomic region of interest, performing gene-by-gene analysis, analyzing RNA-seq data of internodes from Saccharum officinarum and S. spontaneum accessions, constructing a coexpression network to examine the expression patterns of genes within the studied region and their neighbors, and finally identifying differentially expressed genes (DEGs). This comprehensive approach led to the discovery of three candidate genes potentially involved in sugar accumulation: an ethylene-responsive transcription factor (ERF), an ABA 8’-hydroxylase, and a prolyl oligopeptidase (POP). These findings could be valuable for identifying additional candidate genes for other important agricultural traits and directly targeting candidate genes for further work in molecular breeding.

Abstract The protein kinase (PK) superfamily is one of the largest superfamilies in plants and is the core regulator of cellular signaling. Even considering this substantial importance, the kinomes of sugarcane and sorghum have not been profiled. Here we identified and profiled the complete kinomes of the polyploid Saccharum spontaneum (Ssp) and Sorghum bicolor (Sbi), a close diploid relative. The Sbi kinome was composed of 1,210 PKs; for Ssp, we identified 2,919 PKs when disregarding duplications and allelic copies, which were related to 1,345 representative gene models. The Ssp and Sbi PKs were grouped into 20 groups and 120 subfamilies and exhibited high compositional similarities and evolutionary divergences. By utilizing the collinearity between these species, this study offers insights about Sbi and Ssp speciation, PK differentiation and selection. We assessed the PK subfamily expression profiles via RNA-Seq, identifying significant similarities between Sbi and Ssp. Moreover, through coexpression networks, we inferred a core structure of kinase interactions with specific key elements. This study is the first to categorize the allele specificity of a kinome and provides a wide reservoir of molecular and genetic information, enhancing the understanding of the evolutionary history of Sbi and Ssp PKs. Highlight This study describes the catalog of kinase gene family in Saccharum spontaneum and Sorghum bicolor , providing a reservoir of molecular features and expression patterns based on RNA-Seq and co-expression networks.

Background: Sugarcane (Saccharum spp.) is highly polyploid and aneuploid. Modern cultivars are derived from hybridization between S. officinarum and S. spontaneum. This combination results in a genome exhibiting variable ploidy among different loci, a huge genome size (approximately 10 Gb) and a high content of repetitive regions. Gene expression mechanisms are poorly understood in these cultivars. An approach using genomic, transcriptomic and genetic mapping can improve our knowledge of the behavior of genetics in sugarcane. Results: The hypothetical HP600 and centromere protein C (CENP-C) genes from sugarcane were used to elucidate the allelic expression and genomic and genetic behavior of this complex polyploid. The genomically side-by-side genes HP600 and CENP-C were found in two different homeologous chromosome groups with ploidies of eight and ten. The first region (Region01) was a Sorghum bicolor ortholog with all haplotypes of HP600 and CENP-C expressed, but HP600 exhibited an unbalanced haplotype expression. The second region (Region02) was a scrambled sugarcane sequence formed from different noncollinear genes containing duplications of HP600 and CENP-C (paralogs). This duplication occurred before the Saccharum genus formation and after the separation of sorghum and sugarcane, resulting in a nonexpressed HP600 pseudogene and a recombined fusion version of CENP-C and orthologous gene Sobic.003G299500 with at least two chimerical gene haplotypes expressed. The genetic map construction supported the difficulty of mapping markers located in duplicated regions of complex polyploid genomes. Conclusion: All these findings describe a low synteny region in sugarcane, formed by events occurring in all members of the Saccharum genus. Additionally, evidence of duplicated and truncate gene expression and the behavior of genetic markers in a duplicated region was found. Thus, we describe the complexity involved in sugarcane genetics and genomics and allelic dynamics, which can be useful for understanding the complex polyploid genome.

Sugarcane is an economically important crop, but its genomic complexity has hindered advances in molecular approaches for genetic breeding. New cultivars are released based on the identification of interesting traits, and for sugarcane, brown rust resistance is a desirable characteristic due to the large economic impact of the disease. Although marker-assisted selection for rust resistance has been successful, the genes involved are still unknown, and the associated regions vary among cultivars, thus restricting methodological generalization. We used genotyping by sequencing of full-sib progeny to relate genomic regions with brown rust phenotypes. We established a pipeline to identify reliable SNPs in complex polyploid data, which were used for phenotypic prediction via machine learning. We identified 14,540 SNPs, which led to a mean prediction accuracy of 50% by using different models. We also tested feature selection algorithms to increase predictive accuracy, resulting in a reduced dataset with more explanatory power for rust phenotypes. Using different feature selection techniques, we achieved accuracy of up to 95% with a dataset of 131 SNPs related to brown rust QTL regions and auxiliary genes. Therefore, our novel strategy has the potential to assist studies of the genomic organization of brown rust resistance in sugarcane.