High-density single nucleotide polymorphism (SNP) genotyping arrays are a powerful tool for studying genomic patterns of diversity, inferring ancestral relationships between individuals in populations and studying marker-trait associations in mapping experiments. We developed a genotyping array including about 90,000 gene-associated SNPs and used it to characterize genetic variation in allohexaploid and allotetraploid wheat populations. The array includes a significant fraction of common genome-wide distributed SNPs that are represented in populations of diverse geographical origin. We used density-based spatial clustering algorithms to enable high-throughput genotype calling in complex data sets obtained for polyploid wheat. We show that these model-free clustering algorithms provide accurate genotype calling in the presence of multiple clusters including clusters with low signal intensity resulting from significant sequence divergence at the target SNP site or gene deletions. Assays that detect low-intensity clusters can provide insight into the distribution of presence-absence variation (PAV) in wheat populations. A total of 46 977 SNPs from the wheat 90K array were genetically mapped using a combination of eight mapping populations. The developed array and cluster identification algorithms provide an opportunity to infer detailed haplotype structure in polyploid wheat and will serve as an invaluable resource for diversity studies and investigating the genetic basis of trait variation in wheat.

Domesticated crops experience strong human-mediated selection aimed at developing high-yielding varieties adapted to local conditions. To detect regions of the wheat genome subject to selection during improvement, we developed a high-throughput array to interrogate 9,000 gene-associated single-nucleotide polymorphisms (SNP) in a worldwide sample of 2,994 accessions of hexaploid wheat including landraces and modern cultivars. Using a SNP-based diversity map we characterized the impact of crop improvement on genomic and geographic patterns of genetic diversity. We found evidence of a small population bottleneck and extensive use of ancestral variation often traceable to founders of cultivars from diverse geographic regions. Analyzing genetic differentiation among populations and the extent of haplotype sharing, we identified allelic variants subjected to selection during improvement. Selective sweeps were found around genes involved in the regulation of flowering time and phenology. An introgression of a wild relative-derived gene conferring resistance to a fungal pathogen was detected by haplotype-based analysis. Comparing selective sweeps identified in different populations, we show that selection likely acts on distinct targets or multiple functionally equivalent alleles in different portions of the geographic range of wheat. The majority of the selected alleles were present at low frequency in local populations, suggesting either weak selection pressure or temporal variation in the targets of directional selection during breeding probably associated with changing agricultural practices or environmental conditions. The developed SNP chip and map of genetic variation provide a resource for advancing wheat breeding and supporting future population genomic and genome-wide association studies in wheat.

We present the first results from a novel multiparent advanced generation inter-cross (MAGIC) population derived from four elite wheat cultivars. The large size of this MAGIC population (1579 progeny), its diverse genetic composition and high levels of recombination all contribute to its value as a genetic resource. Applications of this resource include interrogation of the wheat genome and the analysis of gene-trait association in agronomically important wheat phenotypes. Here, we report the utilization of a MAGIC population for the first time for linkage map construction. We have constructed a linkage map with 1162 DArT, single nucleotide polymorphism and simple sequence repeat markers distributed across all 21 chromosomes. We benchmark this map against a high-density DArT consensus map created by integrating more than 100 biparental populations. The linkage map forms the basis for further exploration of the genetic architecture within the population, including characterization of linkage disequilibrium, founder contribution and inclusion of an alien introgression into the genetic map. Finally, we demonstrate the application of the resource for quantitative trait loci mapping using the complex traits plant height and hectolitre weight as a proof of principle.

The flowers of major cereals are arranged on reproductive branches known as spikelets, which group together to form an inflorescence. Diversity for inflorescence architecture has been exploited during domestication to increase crop yields, and genetic variation for this trait has potential to further boost grain production. Multiple genes that regulate inflorescence architecture have been identified by studying alleles that modify gene activity or dosage; however, little is known in wheat. Here, we show TEOSINTE BRANCHED1 (TB1) regulates inflorescence architecture in bread wheat (Triticum aestivum) by investigating lines that display a form of inflorescence branching known as "paired spikelets." We show that TB1 interacts with FLOWERING LOCUS T1 and that increased dosage of TB1 alters inflorescence architecture and growth rate in a process that includes reduced expression of meristem identity genes, with allelic diversity for TB1 found to associate genetically with paired spikelet development in modern cultivars. We propose TB1 coordinates formation of axillary spikelets during the vegetative to floral transition and that alleles known to modify dosage or function of TB1 could help increase wheat yields.

Abstract Background Identifying the genetic architecture of complex traits requires access to populations with sufficient genetic diversity and recombination. Multi-parent Advanced Generation InterCross (MAGIC) populations are a powerful resource due to their balanced population structure, allelic diversity and enhanced recombination. However, implementing a MAGIC population in complex polyploids such as wheat is not trivial, as wheat harbours many introgressions, inversions and other genetic factors that interfere with linkage mapping. Results By utilising a comprehensive crossing strategy, additional rounds of mixing and novel genotype calling approaches, we developed a bread wheat eight parent MAGIC population made up of more than 3000 fully genotyped recombinant inbred lines derived from 2151 distinct crosses, and achieved a dense genetic map covering the complete genome. Further rounds of inter-crossing led to increased recombination in inbred lines, as expected. The comprehensive and novel approaches taken in the development and analysis of this population provide a platform for genetic discovery in bread wheat. We identify previously unreported structural variation highlighted by segregation distortion, along with the identification of epistatic allelic interactions between specific founders. We demonstrate the ability to conduct high resolution QTL mapping using the number of recombination events as a trait, and identify several significant QTLs explaining greater than 50% of the variance. Conclusions We report on a novel and effective resource for genomic and trait exploration in hexaploid wheat, that can be used to detect small genetic effects and epistatic interactions due to the high level of recombination and large number of lines. The interactions and genetic effects identified provide a basis for ongoing research to understand the basis of allelic frequencies across the genome, particularly where economically important loci are involved.

Abstract Two homoeologous QTLs for number of spikelets per spike (SPS) were mapped on chromosomes 7AL and 7BL using two wheat MAGIC populations. Sets of lines contrasting for the QTL on 7AL were developed which allowed for the validation and fine mapping of the 7AL QTL and for the identification of a previously described candidate gene, WHEAT ORTHOLOG OF APO1 ( WAPO1 ). Using transgenic overexpression in both a low and a high SPS line, we provide a functional validation for the role of this gene in determining SPS also in hexaploid wheat. We show that the expression levels of this gene positively correlate with SPS in multiple MAGIC founder lines under field conditions as well as in transgenic lines grown in the greenhouse. This work highlights the potential use of WAPO1 in hexaploid wheat for further yield increases. The impact of WAPO1 and SPS on yield depends on other genetic and environmental factors, hence, will require a finely balanced expression level to avoid the development of detrimental pleiotropic phenotypes.

Background: Numerous scaffold-level sequences for wheat are now being released and, in this context, we report on a strategy for improving the overall assembly to a level comparable to that of the human genome. Results: Using chromosome 7A of wheat as a model, sequence-finished megabase scale sections of this chromosome were established by combining a new independent assembly based on a BAC-based physical map, BAC pool paired end sequencing, chromosome arm specific mate-pair sequencing and Bionano optical mapping with the IWGSC RefSeq v1.0 sequence and its underlying raw data. The combined assembly results in 18 super-scaffolds across the chromosome. The value of finished genome regions is demonstrated for two approximately 2.5 Mb regions associated with yield and the grain quality phenotype of fructan carbohydrate grain levels. In addition, the 50 Mb centromere region analysis incorporates cytological data highlighting the importance of non-sequence data in the assembly of this complex genome region. Conclusions: Sufficient genome sequence information is shown to be now available for the wheat community to produce sequence-finished releases of each chromosome of the reference genome. The high-level completion identified that an array of seven fructosyl transferase genes underpins grain quality and yield attributes are affected by five f-box-only-protein-ubiquitin ligase domain and four root-specific lipid transfer domain genes. The completed sequence also includes the centromere.