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.

In legumes, pod shattering occurs when mature pods dehisce along the sutures, and detachment of the valves promotes seed dispersal. In Phaseolus vulgaris, the major locus qPD5.1-Pv for pod indehiscence was identified recently. We developed a BC4/F4 introgression line population and narrowed the major locus down to a 22.5-kb region. Here, gene expression and a parallel histological analysis of dehiscent and indehiscent pods identified an AtMYB26 orthologue as the best candidate for loss of pod shattering, on a genomic region ~11 kb downstream of the highest associated peak. Based on mapping and expression data, we propose early and fine up-regulation of PvMYB26 in dehiscent pods. Detailed histological analysis establishes that pod indehiscence is associated to the lack of a functional abscission layer in the ventral sheath, and that the key anatomical modifications associated with pod shattering in common bean occur early during pod development. We finally propose that loss of pod shattering in legumes resulted from histological convergent evolution and that this is the result of selection at orthologous loci.

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.

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.

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.

All crops are the product of a domestication process that started less than 12,000 years ago from one or more wild populations. Farmers selected desirable phenotypic traits, such as improved energy accumulation, palatability of seeds or reduced natural shattering, while leading domesticated populations through several more or less gradual demographic contractions. As a consequence, erosion of wild genetic variation is typical of modern cultivars making them highly susceptible to pathogens, pests and environmental change. The loss of genetic diversity hampers further crop improvement programs to increase food production in a changing world, posing serious threats to food security. Using both ancient and modern seeds, we analyzed the temporal dynamic of genetic variation and selection during the domestication process of the common bean (Phaseolus vulgaris) that occurred in the Southern Andes. Here we show that most domestic traits were selected for prior to 2,500 years ago, with no or only minor loss of whole-genome variation. In fact, i) all ancient domestic genomes dated between 600 and 2,500 years ago are highly variable - at least as variable as a modern genome from the wild; the genetic erosion that we observe in modern cultivars is therefore a recent process that occurred in the last centuries; ii) the majority of changes at coding genes that differentiate wild and domestic genomes are already present in the ancient genomes analyzed here. Considering that most desirable phenotypic traits are likely controlled by multiple polymorphic genes, a likely explanation of this decoupling of selection and genomic erosion is that early farmers applied a relatively weak selection pressure by using many phenotypically similar but genomically diverse individuals as breeders. Selection strategies during the last few centuries were probably less sustainable and produced further improvements focusing on few plants carrying the traits of interest, at the cost of marked genetic erosion.

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 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.