Abstract Significantly improved crop varieties are urgently needed to feed the rapidly growing human population under changing climates. While genome sequence information and excellent genomic tools are in place for major crop species, the systematic quantification of phenotypic traits or components thereof in a high-throughput fashion remains an enormous challenge. In order to help bridge the genotype to phenotype gap, we developed a comprehensive framework for high-throughput phenotype data analysis in plants, which enables the extraction of an extensive list of phenotypic traits from nondestructive plant imaging over time. As a proof of concept, we investigated the phenotypic components of the drought responses of 18 different barley (Hordeum vulgare) cultivars during vegetative growth. We analyzed dynamic properties of trait expression over growth time based on 54 representative phenotypic features. The data are highly valuable to understand plant development and to further quantify growth and crop performance features. We tested various growth models to predict plant biomass accumulation and identified several relevant parameters that support biological interpretation of plant growth and stress tolerance. These image-based traits and model-derived parameters are promising for subsequent genetic mapping to uncover the genetic basis of complex agronomic traits. Taken together, we anticipate that the analytical framework and analysis results presented here will be useful to advance our views of phenotypic trait components underlying plant development and their responses to environmental cues.

Abstract In barley, the transition from the vegetative to reproductive phase is complex and under the control of photoperiodic and temperature conditions. One major gene involved is PPD-H1 , a PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 7 ( PRR7 ) that encodes a component of the circadian clock. Mutation at PPD-H1 resulted in the photoperiod non-responsive ppd-H1 alleles that are beneficial under high latitudinal environments as they allow vegetative growth during the long-day summer conditions whereby higher yields are harvested by farmers. Utilizing a diverse GWAS panel of world-wide origin and a genome-wide gene-based set of 50K SNP markers, a strong association of days to heading with the PPD-H1 gene was detected in multi-location field trials. Re-sequencing of the gene spanning putative causative SNPs, SNP22 (Turner et al. 2005) and SNP48 (Jones et al. 2008), detected recombination between the two, previously reported to be in complete LD. Phenotyping of the recombinants and phylogenetic relationships among haplotypes supported the original conclusion of Turner et al. (2005) that SNP22, present in the CCT domain, is the most likely causative SNP. To infer the origin of non-responsiveness, the PPD-H1 gene was re-sequenced in a geo-referenced collection of 2057 wild and domesticated barleys and compared with the allelic status of the 6000-year-old barley sample from the Yoram cave in the Masada cliff. A monophyletic and post-domestication origin in the Fertile Crescent was found in contrast to the pre-domestication origin proposed by Jones et al. (2008). We show that the photoperiod non-responsiveness originated from Desert type wild barley in the Southern Levant.

Abstract Wheat yields are stagnating around the world and new sources of genes for resistance or tolerances to abiotic traits are required. In this context, the tetraploid wheat wild relatives are among the key candidates for wheat improvement. Despite of its potential huge value for wheat breeding, the tetraploid GGA t A t genepool is largely neglected. Understanding the population structure, native distribution range, intraspecific variation of the entire tetraploid GGA t A t genepool and its domestication history would further its use for wheat improvement. We report the first comprehensive survey of genomic and cytogenetic diversity sampling the full breadth and depth of the tetraploid GGA t A t genepool. We show that the extant GGA t A t genepool consists of three distinct lineages. We provide detailed insights into the cytogenetic composition of GGA t A t wheats, revealed group-, and population-specific markers and show that chromosomal rearrangements play an important role in intraspecific diversity of T. araraticum . We discuss the origin and domestication history of the GGA t A t lineages in the context of state-of-the-art archaeobotanical finds. We shed new light on the complex evolutionary history of the GGA t A t wheat genepool. We provide the basis for an increased use of the GGA t A t wheat genepool for wheat improvement. The findings have implications for our understanding of the origins of agriculture in southwest Asia.

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.

The common bean (Phaseolus vulgaris L.) is a crucial legume crop and an ideal evolutionary model to study adaptive diversity in wild and domesticated populations. Here, we present a common bean pan-genome based on five high-quality genomes and whole-genome reads representing 339 genotypes. It reveals ~234 Mb of additional sequences containing 6,905 protein-coding genes missing from the reference, constituting 49% of all presence/absence variants (PAVs). More non-synonymous mutations are found in PAVs than core genes, probably reflecting the lower effective population size of PAVs and fitness advantages due to the purging effect of gene loss. Our results suggest pan-genome shrinkage occurred during wild range expansion. Selection signatures provide evidence that partial or complete gene loss was a key adaptive genetic change in common bean populations with major implications for plant adaptation. The pan-genome is a valuable resource for food legume research and breeding for climate change mitigation and sustainable agriculture.

Abstract Non-photochemical quenching (NPQ) is a protective mechanism for dissipating excess energy generated during photosynthesis in the form of heat. The accelerated relaxation of the NPQ in fluctuating light can lead to an increase in the yield and dry matter productivity of crops. Since the measurement of NPQ is time-consuming and requires specific light conditions, theoretical NPQ (NPQ (T) ) was introduced for rapid estimation, which could be suitable for High-throughput Phenotyping. We investigated the potential of NPQ (T) to be used for testing plant genetic resources of chickpea under drought stress with non-invasive High-throughput Phenotyping complemented with yield traits. Besides a high correlation between the hundred-seed-weight and the Estimated Biovolume, significant differences were observed between the two types of chickpea desi and kabuli for Estimated Biovolume and NPQ (T) . Desi was able to maintain the Estimated Biovolume significantly better under drought stress. One reason could be the effective dissipation of excess excitation energy in photosystem II, which can be efficiently measured as NPQ (T) . Screening of plant genetic resources for photosynthetic performance could take pre-breeding to a higher level and can be implemented in a variety of studies, such as here with drought stress or under fluctuating light in a High-throughput Phenotyping manner using NPQ (T) .

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.