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 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.

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 Chocolate spot (CS), caused by Botrytis fabae Sard., is an important threat to global faba bean production. Growing resistant faba bean cultivars is, therefore, paramount to preventing yield loss. To date, there have been no reported quantitative trait loci (QTLs) associated with CS resistance in faba bean. The objective of this study was to identify genomic regions associated with CS resistance using a recombinant inbred line (RIL) population derived from resistant accession ILB 938. A total of 165 RILs from the cross Mélodie/2 × ILB 938/2 were genotyped and evaluated for CS reactions under replicated controlled climate conditions. QTL analysis identified five loci contributing to CS resistance on faba bean chromosomes 1 and 6, accounting for 5.0–23.4% of the total phenotypic variance. The sequences of SNP markers linked to resistance QTLs on chromosome 1 that have the largest effects encode multiple classes of putative disease and/or defense-related genes. The results of this study not only provide insight into disease-resistance QTLs, but also can be used as potential targets for marker-assisted breeding in faba bean genetic improvement for CS resistance. Key message QTL mapping identified key genomic regions associated with chocolate spot resistance on faba bean chromosomes 1 and 6, which may serve as novel genetic tools to develop disease-resistant faba bean cultivars.

Abstract Increasing faba bean production is indispensable to supply the growing demand for plant-based protein on the global scale. A thorough understanding of genotype (G) × environment (E) interaction (GEI) patterns is critical to developing high-yielding varieties with wider adaptation. Thirteen faba bean genotypes were evaluated in 15 environments during 2019–2020 in western Canada to estimate their yield stability using different stability statistics. The combined analysis of variance and additive main effects and multiplicative interaction (AMMI) analysis revealed that G, E, and GEI effects were highly significant ( P <0.001), indicating differential responses of the genotypes across the environments, enabling the stability analysis. The result of the model comparison found the best linear unbiased prediction (BLUP) to outperform AMMI models. The BLUP-based biplot of the weighted average of absolute scores (WAASB) stability and mean grain yield identified AO1155 (Navi), 1089-1-2, 1310-5, DL Tesoro, and 1239-1 as high-yielding and stable genotypes. The correlation analysis revealed that most of the stability parameters had a strong association with grain yield and with each other, indicating that they should be used in combination with one another to select genotypes with high yield. Overall, the WAASB superiority index (WAASBY) and the average sum of ranks of all stability statistics identified the same genotypes in terms of high yielding and stability, and genotype AO1155 is considered the most stable and highest yielding among the tested genotypes. Genotypes with stable yields across environments would be beneficial for faba bean genetic improvement programs globally. Core Ideas Stability analysis was estimated using 13 faba bean genotypes over 15 site-years. The different stability methods described genotypic performance in different ways. The majority of stability models showed a strong rank correlation with grain yield. AMMI and BLUP analyses revealed a highly significant G×E interaction, with BLUP outperforming AMMI. Overall, the employed stability statistics identified AO1155 as the highest yielding and most stable genotype.

Abstract Glandular trichomes are physical and chemical barriers used by some tomato wild relatives to confer resistance against insect pests and diseases transmitted by them. Solanum galapagense has been identified as one of the potential sources of insect pest resistance. The present study aimed to examine the trichome diversity and acylsugar concentration of 26 accessions of S. galapagense along with one cultivated tomato ( S. lycopersicum ) and one cherry tomato ( S. l. cerasiforme ) cultivar. The results revealed large genetic variation among S. galapagense accessions for all studied traits. The S. galapagense accessions had significantly higher trichome types IV on the adaxial and abaxial surfaces of the leaf and greater acylsugar concentration but smaller leaflet area than cultivated tomato. The selected cherry tomato line represents greater trichome type IV and acylsugar than other groups. The acylsugar concentration was positively associated with trichome type IV but negatively associated with trichome type V on both leaf surfaces. Leaflet area was negatively associated with trichome IV density and acylsugar concentration. Analysis of DNA markers revealed the presence of two previously identified whitefly-resistance alleles in S. galapagense accessions. This study will support breeding programs aiming to improve insect pest resistance in tomato cultivars using crop wild relatives.

Abstract Climate change poses serious challenges to achieving food security in a time of a need to produce more food to keep up with the world’s increasing demand for food. There is an urgent need to speed up the development of new high yielding varieties with traits of adaptation and mitigation to climate change. Mathematical approaches, including ML approaches, have been used to search for such traits, leading to unprecedented results as some of the traits, including heat traits that have been long sought-for, have been found within a short period of time.