Abstract Sexual reproduction is the primary means of reproduction for the vast majority of macroscopic organisms, including almost all animals and plants. Sex chromosomes are predicted to play a central role in sexual dimorphism. Sex determination in spinach is controlled by a pair of sex chromosomes. However, the mechanisms of sex determination in spinach remain poorly understand. Here, we assembled the genomes of both a female (XX) and a male (YY) individual of spinach, and the genome sizes were 978 Mb with 28,320 predicted genes and 926 Mb with 26,537 predicted genes, respectively. Based on reported sex-linked markers, chromosomes 4 of the female and male genome were defined as the X and Y chromosomes, and a 10 Mb male-specific region of the Y chromosome (MSY) from approximately 95– 105 Mb, was identified that contains abundant transposable elements (92.32%). Importantly, a large-scale inversion of about 13 Mb in length was detected on the X chromosome, corresponding to ~9 Mb and ~4 Mb on the Y chromosome, which were located on both sides of the MSY with two distinct evolutionary strata. Almost all sex-linked/Y-specific markers were enriched on the inversions/MSY, suggesting that the flanked inversions might result in recombination suppression between the X and Y chromosomes to maintain the MSY. Forty-nine genes within the MSY had functional homologs elsewhere in the autosomal region, suggesting movement of genes onto the MSY. The X and Y chromosomes of spinach provide a valuable resource for investigating spinach sex chromosomes evolution from wild to cultivated spinach and also provide a broader understanding of the sex determination model in the Amaranthaceae family.

Abstract Spinach ( Spinacia oleracea ) is a dioecious species (with male and female flowers on separate individuals). Spinach and its closest wild relative, S. turkestanica , has homomorphic sex chromosomes, but the more distant relative S. tetrandra has heteromorphic sex chromosomes. We report high-quality genome assemblies for S. turkestanica and S. tetrandra . These diverged approximately 6.3 million years ago (Mya), while S. turkestanica split from S. oleracea much more recently, around 0.8 Mya, supporting previous suggestions that S. turkestanica is the direct progenitor of cultivated spinach. Using a combination of genomic approaches, we identified a sex-linked region (SLR) of ∼133 Mb in S. tetrandra . In all three species, the SLRs are within a large pericentromeric region of chromosome 4. We describe evidence that, in S. tetrandra , this region has completely stopped recombining in male meiosis, creating a large Y-linked region (YLR) that has partially degenerated; loss of recombination appears to have evolved in two events that created two “evolutionary strata”, one of which and is highly rearranged, relative to the X. The SLRs of S. turkestanica and S. oleracea are much smaller: both include only a 10 Mb Y-specific region which is not detected in S. tetrandra . This was duplicated into a 14 Mb inverted region, and is termed the Y-duplicated region, or “YDR”. These findings suggest that a turnover event created the YDR before these species diverged, replacing an extensive ancestral Y-linked region like the S. tetrandra YLR.

Abstract Purple-red spinach is a unique cultivar with rich in betalains, which has been used for food colorants and is beneficial for human health. In view of the lack of genomic inforamtion of purple-red spinach genome and promote the idetification of betalian gene, we presented the genome of purple-red spinach with Nanopore ultra-long and illumina sequencing platform. The contig N50 size was 2.2Mb and 99.33% contig sequence was anchored to the six chromosomes, totaling 878.83Mb. The purple-red genome constitues 74.15% repeat sequence and harbors 26020 protein-coding genes. We also comprehensively identified candidate genes in betalain biosynthesis pathway in spinach. Moreover, a combined transcriptomic and BSA analysis uncovered a key betalain gene, FUN_002594, which regulated the color and betalain content of leaf. Our data present a valuable resource for facilitating molecular breeding programs of spinach and shed novel light on unique attributes, as well as the modulation of betalain biosynthesis.

Abstract The suture strings is a particularly important pod trait that determines the quality and texture of snap bean ( Phaseolus vulgaris L.). The St locus on chromosome 2 has been described as a major locus associated with suture strings. However, the gene and genetic basis underlying this locus remain unknown. Here, we investigated the suture strings of 138 snap bean accessions across two years. A total of 3.66 million single-nucleotide polymorphisms (SNPs) were obtained by deep resequencing. Based on these SNPs, we identified a strong association signal on Chr02 and a promising candidate gene, PvGUX1_1 . Further analysis revealed that the 2-bp deletion in exon of PvGUX1_1 was significantly associated with stringlessness. Comparative mapping indicated that PvGUX1_1 was a domesticated locus and diverged from PvGUX1_2 during an early stage. Our study provides important insights into the genetic mechanism of suture string formation and useful information for snap bean improvement.

Abstract Cultivated spinach ( Spinacia oleracea ) is a dioecious species (with male and female flowers on separate individuals). We report high-quality genome assemblies for its two closest wild relatives, S. turkestanica and S. tetrandra , which are also dioecious, to study the genetics of spinach domestication. Using a combination of genomic approaches, we assembled genome sequences of both these species, and analysed them in comparison to the previously assembled S. oleracea genome. These species diverged approximately 6.3 million years ago (Mya), while cultivated spinach split from S. turkestanica (its probable direct progenitor) 0.8 Mya. A common feature of all three species is that all six chromosomes include very large gene-poor, repeat-rich regions. In S. oleracea , these correspond with pericentromeric regions with very low recombination rates in both male and female genetic maps, and we infer that the similar pericentromeric regions in the wild species also recombine rarely. Although these regions include a low proportion of Spinacia genes, many genes are nevertheless within them, and they must be considered when analyzing selection during domestication. As a first approach to the difficult question of detecting genes involved in spinach domestication, we characterized 282 structural variants (SVs) whose frequencies are higher in a set of spinach accessions than in the wild species, suggesting that they mark genome regions that have been selected during domestication. These regions include genes associated with leaf margin type and flowering time. We also describe evidence that the downy mildew resistance loci of cultivated spinach are derived from introgression from both wild spinach species.

Summary Structural variations (SVs) are major genetic variants that can be involved in the origin, adaptation and domestication of species. However, the identification and characterization of SVs in Spinacia species are rare due to the lack of a pan‐genome. Here, we report eight chromosome‐scale assemblies of cultivated spinach and its two wild species. After integration with five existing assemblies, we constructed a comprehensive Spinacia pan‐genome and identified 193 661 pan‐SVs, which were genotyped in 452 Spinacia accessions. Our pan‐SVs enabled genome‐wide association study identified signals associated with sex and clarified the evolutionary direction of spinach. Most sex‐linked SVs (86%) were biased to occur on the Y chromosome during the evolution of the sex‐linked region, resulting in reduced Y‐linked gene expression. The frequency of pan‐SVs among Spinacia accessions further illustrated the contribution of these SVs to domestication, such as bolting time and seed dormancy. Furthermore, compared with SNPs, pan‐SVs act as efficient variants in genomic selection (GS) because of their ability to capture missing heritability information and higher prediction accuracy. Overall, this study provides a valuable resource for spinach genomics and highlights the potential utility of pan‐SV in crop improvement and breeding programmes.