Abstract Advances in genomics have expedited the improvement of several agriculturally important crops but similar efforts in wheat ( Triticum spp.) have been more challenging. This is largely owing to the size and complexity of the wheat genome 1 , and the lack of genome-assembly data for multiple wheat lines 2,3 . Here we generated ten chromosome pseudomolecule and five scaffold assemblies of hexaploid wheat to explore the genomic diversity among wheat lines from global breeding programs. Comparative analysis revealed extensive structural rearrangements, introgressions from wild relatives and differences in gene content resulting from complex breeding histories aimed at improving adaptation to diverse environments, grain yield and quality, and resistance to stresses 4,5 . We provide examples outlining the utility of these genomes, including a detailed multi-genome-derived nucleotide-binding leucine-rich repeat protein repertoire involved in disease resistance and the characterization of Sm1 6 , a gene associated with insect resistance. These genome assemblies will provide a basis for functional gene discovery and breeding to deliver the next generation of modern wheat cultivars.

Thomas Wicker and colleagues report the whole-genome sequencing of four wheat powdery mildew (Blumeria graminis forma specialis tritici) isolates from different geographic regions. Their comparative genomic analysis provides insights into the evolution of powdery mildews, which are obligate biotropic fungal pathogens. Wheat powdery mildew, Blumeria graminis forma specialis tritici, is a devastating fungal pathogen with a poorly understood evolutionary history. Here we report the draft genome sequence of wheat powdery mildew, the resequencing of three additional isolates from different geographic regions and comparative analyses with the barley powdery mildew genome. Our comparative genomic analyses identified 602 candidate effector genes, with many showing evidence of positive selection. We characterize patterns of genetic diversity and suggest that mildew genomes are mosaics of ancient haplogroups that existed before wheat domestication. The patterns of diversity in modern isolates suggest that there was no pronounced loss of genetic diversity upon formation of the new host bread wheat 10,000 years ago. We conclude that the ready adaptation of B. graminis f.sp. tritici to the new host species was based on a diverse haplotype pool that provided great genetic potential for pathogen variation.

Medicago truncatula is a model for investigating legume genetics, including the genetics and evolution of legume–rhizobia symbiosis. We used whole-genome sequence data to identify and characterize sequence polymorphisms and linkage disequilibrium (LD) in a diverse collection of 26 M. truncatula accessions. Our analyses reveal that M. truncatula harbors both higher diversity and less LD than soybean ( Glycine max ) and exhibits patterns of LD and recombination similar to Arabidopsis thaliana . The population-scaled recombination rate is approximately one-third of the mutation rate, consistent with expectations for a species with a high selfing rate. Linkage disequilibrium, however, is not extensive, and therefore, the low recombination rate is likely not a major constraint to adaptation. Nucleotide diversity in 100-kb windows was negatively correlated with gene density, which is expected if diversity is shaped by selection acting against slightly deleterious mutations. Among putative coding regions, members of four gene families harbor significantly higher diversity than the genome-wide average. Three of these families are involved in resistance against pathogens; one of these families, the nodule-specific, cysteine-rich gene family, is specific to the galegoid legumes and is involved in control of rhizobial differentiation. The more than 3 million SNPs that we detected, approximately one-half of which are present in more than one accession, are a valuable resource for genome-wide association mapping of genes responsible for phenotypic diversity in legumes, especially traits associated with symbiosis and nodulation.

Magnus Nordborg and colleagues report a genomic analysis of all 27 known species in the genus Arabidopsis. They find evidence for a complex speciation history that is not accurately reflected by a traditional bifurcating species tree and identify widespread shared polymorphisms between species. The notion of species as reproductively isolated units related through a bifurcating tree implies that gene trees should generally agree with the species tree and that sister taxa should not share polymorphisms unless they diverged recently and should be equally closely related to outgroups. It is now possible to evaluate this model systematically. We sequenced multiple individuals from 27 described taxa representing the entire Arabidopsis genus. Cluster analysis identified seven groups, corresponding to described species that capture the structure of the genus. However, at the level of gene trees, only the separation of Arabidopsis thaliana from the remaining species was universally supported, and, overall, the amount of shared polymorphism demonstrated that reproductive isolation was considerably more recent than the estimated divergence times. We uncovered multiple cases of past gene flow that contradict a bifurcating species tree. Finally, we showed that the pattern of divergence differs between gene ontologies, suggesting a role for selection.

Abstract Heavy metals are an increasing problem due to contamination from human sources that and can enter the food chain by being taken up by plants. Understanding the genetic basis of accumulation and tolerance in plants is important for reducing the uptake of toxic metals in crops and crop relatives, as well as for removing heavy metals from soils by means of phytoremediation. Following exposure of Medicago truncatula seedlings to cadmium (Cd) and mercury (Hg), we conducted a genome-wide association study using relative root growth (RRG) and leaf accumulation measurements. Cd and Hg accumulation and RRG had heritability ranging 0.44 - 0.72 indicating high genetic diversity for these traits. The Cd and Hg trait associations were broadly distributed throughout the genome, indicated the traits are polygenic and involve several quantitative loci. For all traits, candidate genes included several membrane associated ATP-binding cassette transporters, P-type ATPase transporters, several oxidative stress response genes and stress related UDP-glycosyltransferases. The P-type ATPase transporters and ATP-binding cassette protein-families have roles in vacuole transport of heavy metals, and our findings support their wide use in physiological plant responses to heavy metals and abiotic stresses. We also found associations between Cd RRG with the genes CAX3 and PDR3 , two linked adjacent genes, and leaf accumulation of Hg associated with the genes NRAMP6 and CAX9 . When plant genotypes with the most extreme phenotypes were compared, we found significant divergence in genomic regions using population genomics methods that contained metal transport and stress response gene ontologies. Several of these genomic regions show high linkage disequilibrium (LD) among candidate genes suggesting they have evolved together. Minor allele frequency (MAF) and effect size of the most significant SNPs was negatively correlated with large effect alleles being most rare. This is consistent with purifying selection against alleles that increase toxicity and abiotic stress. Conversely, the alleles with large affect that had higher frequencies that were associated with the exclusion of Cd and Hg. Overall, macroevolutionary conservation of heavy metal and stress response genes is important for improvement of forage crops by harnessing wild genetic variants in gene banks such as the Medicago HapMap collection.

Abstract X-ray tomography (XRT) and X-ray fluorescence (XRF) imaging are two non-invasive imaging techniques to study cellular structures and chemical element distributions, respectively. However, correlative X-ray tomography and fluorescence imaging for the same cell have yet to be routinely realized due to challenges in sample preparation and X-ray radiation damage. Here we report an integrated experimental and computational workflow for achieving correlative multi-modality X-ray imaging of a single cell. The method consists of the preparation of radiation-resistant single-cell samples using live-cell imaging-assisted chemical fixation and freeze-drying procedures, targeting and labeling cells for correlative XRT and XRF measurement, and computational reconstruction of the correlative and multi-modality images. With XRT, cellular structures including the overall structure and intracellular organelles are visualized, while XRF imaging reveals the distribution of multiple chemical elements within the same cell. Our correlative method demonstrates the feasibility and broad applicability of using X-rays to understand cellular structures and the roles of chemical elements and related proteins in signaling and other biological processes.

Little empirical evidence is available whether allopolyploid species combine or merge adaptations of parental species. The allopolyploid species Arabidopsis kamchatica is a natural hybrid of the diploid parents A. halleri, a heavy metal hyperaccumulator, and A. lyrata, a non-hyperaccumulating species. Zinc and cadmium were measured in native soils and leaf tissues in natural populations, and in hydroponic cultures of A. kamchatica and A. halleri. Pyrosequencing was used to estimate homeolog expression ratios. Soils from human modified sites showed significantly higher Zn concentrations than non-modified sites. Leaf samples of A. kamchatica collected from 40 field localities had > 1,000 μg g-1 Zn in over half of the populations, with significantly higher amounts of Zn concentrations in plants from human modified sites. In addition, serpentine soils were found in two populations. Most genotypes accumulated >3000 μg g-1 of Zn in hydroponic culture with high variability among them. Genes involved in hyperaccumulation showed a bias in the halleri-derived homeolog. A. kamchatica has retained constitutive hyperaccumulation ability inherited from A. halleri. Our field and experimental data provides a compelling example in which the inheritance of genetic toolkits for soil adaptations likely contributed to the habitat expansion of an allopolyploid species.

Although genome duplication is widespread in wild and crop plants, little is known about genome-wide selection due to the complexity of polyploid genomes. In allopolyploid species, the patterns of purifying selection and adaptive substitutions would be affected by masking owing to duplicated genes or homeologs as well as by effective population size. We resequenced 25 distribution-wide accessions of the allotetraploid Arabidopsis kamchatica, which has a relatively small genome size (450 Mb) derived from the diploid species A. halleri and A. lyrata. The level of nucleotide polymorphism and linkage disequilibrium decay were comparable to A. thaliana, indicating the feasibility of association studies. A reduction in purifying selection compared with parental species was observed. Interestingly, the proportion of adaptive substitutions (α) was significantly positive in contrast to the majority of plant species. A recurrent pattern observed in both frequency and divergence-based neutrality tests is that the genome-wide distributions of both subgenomes were similar, but the correlation between homeologous pairs was low. This may increase the opportunity of different evolutionary trajectories such as in the HMA4 gene involved in heavy metal hyperaccumulation.

Abstract Mercury (Hg) is highly toxic and has the potential to cause severe health problems for foraging animals and humans when transported into edible plant parts. Soil rhizobia that form symbiosis with legumes may possess mechanisms to prevent heavy metal translocation from roots to shoots in plants by exporting metals from nodules or compartmentalizing metal ions inside nodules. Using long-read sequencing, we assembled the genomes of Sinorhizobium medicae and Rhizobium leguminosarum from the Almadén mercury mine in Spain with high variation in Hg-tolerance to identify structural and transcriptomic differences between low and high Hg-tolerant strains. While independent mercury reductase A (merA) genes are prevalent in α-proteobacteria, Mer operons are rare and often vary in their gene organization. Our analyses identified multiple structurally conserved merA homologs in the genomes of S. medicae , including a dihydrolipoamide 2-oxoglutarate dehydrogenase (D2OD), but only the strains that possessed a Mer operon exhibited hypertolerance to Hg. Using RNAseq reads mapped to the unique genome assemblies, we found the Hg-tolerant strains which possessed a Mer operon, that nearly all genes within the operon were significantly up-regulated in response to Hg stress in free-living conditions and in nodules. In both free-living and nodule environments, we found the Hg-tolerant strains with a Mer operon exhibited the fewest number of DEGs in the genome, indicating a rapid and efficient detoxification of Hg 2+ from the cells that reduced general stress responses to the Hg-treatment. Expression changes in S. medicae while inside of nodules showed that both rhizobia strain and host-plant tolerance affected the number of DEGs. Aside from Mer operon genes, nif genes which are involved in nitrogenase activity in S. medicae showed significant up-regulation in the most Hg-tolerant strain while inside the most Hg-accumulating host-plant, indicating a genotype-by-genotype interaction that influences nitrogen-fixation under stress conditions. Transfer of the Mer operon to non-tolerant strains resulted in an immediate increase in Hg tolerance, indicating that the operon is solely necessary to confer hypertolerance to Hg, despite paralogous merA genes present elsewhere in the genome. This study demonstrated that the Mer operon can be exchanged via horizontal gene transfer into non-tolerant rhizobia strains naturally and experimentally.