Abstract Faba bean is a widely adapted and high-yielding legume cultivated for its protein-rich seeds 1 . However, the seeds accumulate the anti-nutritional pyrimidine glucosides vicine and convicine, which can cause haemolytic anaemia—favism—in the 400 million individuals genetically predisposed by a deficiency in glucose-6-phosphate dehydrogenase 2 . Here, we identify the first enzyme associated with vicine and convicine biosynthesis, which we name VC1. We show that VC1 co-locates with the major QTL for vicine and convicine content and that the expression of VC1 correlates highly with vicine content across tissues. We also show that low-vicine varieties express a version of VC1 carrying a small, frame-shift insertion, and that overexpression of wild-type VC1 leads to an increase in vicine levels. VC1 encodes a functional GTP cyclohydrolase II, an enzyme normally involved in riboflavin biosynthesis from the purine GTP. Through feeding studies, we demonstrate that GTP is a precursor of vicine both in faba bean and in the distantly related plant bitter gourd. Our results reveal an unexpected biosynthetic origin for vicine and convicine and pave the way for the development of faba bean cultivars that are free from these anti-nutrients, providing a safe and sustainable source of dietary protein.

Abstract Increasing the proportion of locally produced plant protein in currently meat-rich diets could substantially reduce greenhouse gas emission and loss of biodiversity. However, plant protein production is hampered by the lack of a cool-season legume equivalent to soybean in agronomic value. Faba bean ( Vicia faba L.) has a high yield potential and is well-suited for cultivation in temperate regions, but genomic resources are scarce. Here, we report a high-quality chromosome-scale assembly of the faba bean genome and show that it has grown to a massive 13 Gb in size through an imbalance between the rates of amplification and elimination of retrotransposons and satellite repeats. Genes and recombination events are evenly dispersed across chromosomes and the gene space is remarkably compact considering the genome size, though with significant copy number variation driven by tandem duplication. Demonstrating practical application of the genome sequence, we develop a targeted genotyping assay and use high-resolution genome-wide association (GWA) analysis to dissect the genetic basis of hilum colour. The resources presented constitute a genomics-based breeding platform for faba bean, enabling breeders and geneticists to accelerate improvement of sustainable protein production across Mediterranean, subtropical, and northern temperate agro-ecological zones.

Abstract Faba bean ( Vicia faba L.) is a high-protein grain legume crop with great potential for further cultivation. However, little is known about the genetics underlying trait diversity. In this study, we use 21,345 high-quality SNP markers to genetically characterise 2,678 faba bean genotypes. We perform genome-wide association studies of key agronomic traits using a Seven-parent-MAGIC population and detect 238 significant marker-trait associations linked to 12 traits of agronomic importance, with 65 of these being stable across multiple environments. Using a non-redundant diversity panel of 685 accessions from 52 countries, we identify 3 subpopulations differentiated by geographical origin and 33 genomic regions subject to strong diversifying selection between subpopulations. We find that SNP markers associated with the differentiation of northern and southern accessions were able to explain a significant proportion of agronomic trait variance in the Seven-parent-MAGIC population, suggesting that some of these traits have played an important role in breeding. Altogether, our findings point to genomic regions associated with important agronomic traits and selection in faba bean, which can be used for breeding purposes. Key Message We identified marker-trait associations for key faba bean agronomic traits and genomic signatures of selection within a global germplasm collection.