The growing human population and a changing environment have raised significant concern for global food security, with the current improvement rate of several important crops inadequate to meet future demand 1 . This slow improvement rate is attributed partly to the long generation times of crop plants. Here, we present a method called ‘speed breeding’, which greatly shortens generation time and accelerates breeding and research programmes. Speed breeding can be used to achieve up to 6 generations per year for spring wheat (Triticum aestivum), durum wheat (T. durum), barley (Hordeum vulgare), chickpea (Cicer arietinum) and pea (Pisum sativum), and 4 generations for canola (Brassica napus), instead of 2–3 under normal glasshouse conditions. We demonstrate that speed breeding in fully enclosed, controlled-environment growth chambers can accelerate plant development for research purposes, including phenotyping of adult plant traits, mutant studies and transformation. The use of supplemental lighting in a glasshouse environment allows rapid generation cycling through single seed descent (SSD) and potential for adaptation to larger-scale crop improvement programs. Cost saving through light-emitting diode (LED) supplemental lighting is also outlined. We envisage great potential for integrating speed breeding with other modern crop breeding technologies, including high-throughput genotyping, genome editing and genomic selection, accelerating the rate of crop improvement. Fully enclosed, controlled-environment growth chambers can accelerate plant development. Such ‘speed breeding’ reduces generation times to accelerate crop breeding and research programmes, and can integrate with other modern crop breeding technologies.

The RNA-guided Cas9 system represents a flexible approach for genome editing in plants. This method can create specific mutations that knock-out or alter target gene function. It provides a valuable tool for plant research and offers opportunities for crop improvement. We investigate the use and target specificity requirements of RNA-guided Cas9 genome editing in barley (Hordeum vulgare) and Brassica oleracea by targeting multicopy genes. In barley, we target two copies of HvPM19 and observe Cas9-induced mutations in the first generation of 23 % and 10 % of the lines, respectively. In B. oleracea, targeting of BolC.GA4.a leads to Cas9-induced mutations in 10 % of first generation plants screened. In addition, a phenotypic screen identifies T0 plants with the expected dwarf phenotype associated with knock-out of the target gene. In both barley and B. oleracea stable Cas9-induced mutations are transmitted to T2 plants independently of the T-DNA construct. We observe off-target activity in both species, despite the presence of at least one mismatch between the single guide RNA and the non-target gene sequences. In barley, a transgene-free plant has concurrent mutations in the target and non-target copies of HvPM19. We demonstrate the use of RNA-guided Cas9 to generate mutations in target genes of both barley and B. oleracea and show stable transmission of these mutations thus establishing the potential for rapid characterisation of gene function in these species. In addition, the off-target effects reported offer both potential difficulties and specific opportunities to target members of multigene families in crops.

'Speed breeding' (SB) shortens the breeding cycle and accelerates crop research through rapid generation advancement. SB can be carried out in numerous ways, one of which involves extending the duration of plants' daily exposure to light, combined with early seed harvest, to cycle quickly from seed to seed, thereby reducing the generation times for some long-day (LD) or day-neutral crops. In this protocol, we present glasshouse and growth chamber-based SB approaches with supporting data from experimentation with several crops. We describe the conditions that promote the rapid growth of bread wheat, durum wheat, barley, oat, various Brassica species, chickpea, pea, grass pea, quinoa and Brachypodium distachyon. Points of flexibility within the protocols are highlighted, including how plant density can be increased to efficiently scale up plant numbers for single-seed descent (SSD). In addition, instructions are provided on how to perform SB on a small scale in a benchtop growth cabinet, enabling optimization of parameters at a low cost.

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.

Summary We sought to quantify the role of MYB28 in the regulation of aliphatic glucosinolate biosynthesis and associated sulphur metabolism in field-grown B. oleracea with the use of CRISPR-Cas9-mediated gene editing technology. We describe the first characterised myb28 knockout mutant in B. oleracea , and the first UK field trial of CRISPR-Cas9-mediated gene edited plants under the European Court of Justice interpretation of the 2001/18 EU GMO directive. We report that knocking-out myb28 results in downregulation of aliphatic glucosinolate biosynthesis genes and reduction in accumulation of the methionine-derived glucosinolate, glucoraphanin, in leaves and florets of field-grown myb28 mutant broccoli plants. There were no significant changes to the accumulation of sulphate, S-methyl cysteine sulfoxide and indole glucosinolate in leaf and floret tissues.

Abstract We report the first successful, high efficiency use of Lb Cas12a in barley and describe the development and application of two novel Cas12a variants. In total we compared five coding sequence (CDS) variants including the two novel ones and two guide architectures over 5 different target genes using twenty different guides. We found large differences in editing efficiencies between the different CDS versions (0-87%) and guide architectures (0-70%) and show our two novel CDS versions massively outperform the others on test in this species. We show heritability of mutations generated. Our findings highlight the importance of optimising CRISPR systems for individual species and are likely to aid the use of Lb Cas12a in other monocot species.

Abstract Monoterpene indole alkaloids (MIAs) are a diverse class of plant natural products that include a number of medicinally significant compounds. We set out to reconstitute the pathway for strictosidine, a key intermediate of all MIAs, from central metabolism in Nicotiana benthamiana . A disadvantage of this host is that its rich background metabolism results in the derivatization of some heterologously produced molecules. We used transcriptomic analysis to identify glycosyltransferases that were upregulated in response to biosynthetic intermediates and produced plant lines with targeted mutations in the genes encoding them. Expression of the early MIA pathway in these lines produced a more favorable product profile. Strictosidine biosynthesis was successfully reconstituted, with the best yields obtained by the co-expression of 14 enzymes, of which a major latex protein-like enzyme (MLPL) from Nepeta (catmint) was critical for improving flux through the iridoid pathway. The removal of endogenous glycosyltransferases did not impact the yields of strictosidine, highlighting that the metabolic flux of the pathway enzymes to a stable biosynthetic intermediate minimizes the need to engineer the endogenous metabolism of the host. The production of strictosidine in planta expands the range of MIA products amenable to biological synthesis.

Abstract We report highly efficient genome editing in Brassica species. We compare the efficiency of targeted mutagenesis using four Streptococcus pyogenes Cas9 ( Sp Cas9) systems in Brassica oleracea and Brassica napus over 3 target genes and five guides to identify two which show a striking improvement to our first published system (Lawrenson et al., 2015). Targeted mutagenesis occurred in up to 100% of T0 plants with the improved systems, compared to 20% in the original system. This is the only reported comparison of Sp Cas9 systems we are aware of in Brassica species. Secondly, we report the first successful use of Lachnospiraceae bacterium Cas12a ( Lb Cas12a) in Brassica oleracea . We test three Lb Cas12a coding sequences and two guide architectures against one target gene using four guides. From this we identify the best performing combination of our novel, multi-intron coding sequence and a ribozyme flanked guide expression cassette. In this case 68% of T0 plants contained targeted mutations. Heritability of Lb Cas12a mutations is shown. We show that our two useful and novel Lb Cas12a coding sequences have utility in Brassica species.

Abstract Background CRISPR Cas9 and Cas12a are the two most frequently used programmable nucleases reported in plant systems. There is now a wide range of component parts for both which likely have varying degrees of effectiveness and potentially applicability to different species. Our aim was to develop and optimise Cas9 and Cas12a based systems for highly efficient genome editing in the monocotyledons barley and wheat and produce a user-friendly toolbox facilitating simplex and multiplex editing in the cereal community. Results We identified a Zea mays codon optimised Cas9 with 13 introns in conjunction with arrayed guides driven by U6 and U3 promoters as the best performer in barley where 100% of T0 plants were simultaneously edited in all three target genes. When this system was used in wheat > 90% of T0 plants were edited in all three subgenome targets. For Cas12a, an Arabidopsis codon optimised sequence with 8 introns gave the best editing efficiency in barley when combined with a tRNA based multiguide array, resulting in 90% mutant alleles in three simultaneously targeted genes. When we applied this Cas12a system in wheat 86% & 93% of T0 plants were mutated in two genes simultaneously targeted. We show that not all introns contribute equally to enhanced mutagenesis when inserted into a Cas12a coding sequence and that there is rationale for including multiple introns. We also show that the combined effect of two features which boost Cas12a mutagenesis efficiency (D156R mutation and introns) is more than the sum of the features applied separately. Conclusion Based on the results of our testing, we describe and provide a GoldenGate modular cloning system for Cas9 and Cas12a use in barley and wheat. Proven Cas nuclease and guide expression cassette options found in the toolkit will facilitate highly efficient simplex and multiplex mutagenesis in both species. We incorporate GRF-GIF transformation boosting cassettes in wheat options to maximise workflow efficiency.

Abstract The model plant Nicotiana benthamiana is an increasingly attractive organism for the production of high-value, biologically active molecules. However, N. benthamiana accumulates high levels of pyridine alkaloids, in particular nicotine, which complicates the downstream purification processes. Here, we report the assembly of an improved N. benthamiana genome as well as the generation of low-nicotine lines by CRISPR/Cas9-based inactivation of berberine bridge enzyme-like proteins (BBLs). Triple as well as quintuple mutants accumulated 3-4 times less nicotine than the respective control lines. The availability of lines without functional BBLs allowed us to probe their catalytic role in nicotine biosynthesis, which has remained obscure. Notably, chiral analysis revealed that the enantiomeric purity of nicotine was fully lost in the quintuple mutants. In addition, precursor feeding experiments showed that these mutants cannot facilitate the specific loss of C6 hydrogen that characterizes natural nicotine biosynthesis. Our work delivers an improved N. benthamiana chassis for bioproduction and opens the possibility that BBLs are the sought-after coupling enzymes in nicotine biosynthesis.