Abstract Advances in genomics have expedited the improvement of several agriculturally important crops but similar efforts in wheat ( Triticum spp.) have been more challenging. This is largely owing to the size and complexity of the wheat genome 1 , and the lack of genome-assembly data for multiple wheat lines 2,3 . Here we generated ten chromosome pseudomolecule and five scaffold assemblies of hexaploid wheat to explore the genomic diversity among wheat lines from global breeding programs. Comparative analysis revealed extensive structural rearrangements, introgressions from wild relatives and differences in gene content resulting from complex breeding histories aimed at improving adaptation to diverse environments, grain yield and quality, and resistance to stresses 4,5 . We provide examples outlining the utility of these genomes, including a detailed multi-genome-derived nucleotide-binding leucine-rich repeat protein repertoire involved in disease resistance and the characterization of Sm1 6 , a gene associated with insect resistance. These genome assemblies will provide a basis for functional gene discovery and breeding to deliver the next generation of modern wheat cultivars.

Abstract Polyploidization, or whole genome duplication, is one of the major mechanisms of plant speciation. Allopolyploids (species that harbor polyploid genomes originating from hybridization of different diploid species) have been hypothesized to occupy a niche with intermediate, broader, or fluctuating environmental conditions compared with parental diploids. It remains unclear whether empirical data support this hypothesis and whether specialization of expression patterns of the homeologs (paralogous gene copies resulting from allopolyploidization) relates to habitat environments. Here, we studied the ecology and transcriptomics of a wild allopolyploid Cardamine flexuosa and its diploid parents C. hirsuta and C. amara at a fine geographical scale in their native area in Switzerland. We found that the diploid parents favored opposite extremes in terms of soil moisture, soil carbon-to-nitrogen ratios, and light availability. The habitat of the allopolyploid C. flexuosa was broader compared with those of its parental species and overlapped with those of the parents, but not at its extremes. In C. flexuosa , the genes related to water availability were overrepresented among those at both the expression level and the expression ratio of homeolog pairs, which varied among habitat environments. These findings provide empirical evidence for niche differentiation between an allopolyploid and its diploid parents at a fine scale, where both ecological and transcriptomic data indicated water availability to be the key environmental factor for niche differentiation. Significance statement Polyploidization, or whole genome duplication, is common in plants and may contribute to their ecological diversification. However, little is known about the niche differentiation of wild allopolyploids relative to their diploid parents and the gene expression patterns that may underlie such ecological divergence. We detected niche differentiation between the allopolyploid Cardamine flexuosa and its diploid parents C. amara and C. hirsuta along water availability gradient at a fine scale. The ecological differentiation was mirrored by the dynamic control of water availability-related gene expression patterns according to habitat environments. Thus, both ecological and transcriptomic data revealed niche differentiation between an allopolyploid species and its diploid parents.

Genome duplication with hybridization, or allopolyploidization, occurs in animals, fungi, and plants, and is especially common in crop plants. There is increasing interest in the study of allopolyploids due to advances in polyploid genome assembly, however the high level of sequence similarity in duplicated gene copies (homeologs) pose many challenges. Here we compared standard RNA-seq expression quantification approaches used currently for diploid species against subgenome-classification approaches which maps reads to each subgenome separately. We examined mapping error using our previous and new RNA-seq data in which a subgenome is experimentally added (synthetic allotetraploid Arabidopsis kamchatica) or reduced (allohexaploid wheat Triticum aestivum versus extracted allotetraploid) as ground truth. The error rates in the two species were very similar. The standard approaches showed higher error rates (>10% using pseudo-alignment with Kallisto) while subgenome-classification approaches showed much lower error rates (<1% using EAGLE-RC, <2% using HomeoRoq). Although downstream analysis may partly mitigate mapping errors, the difference in methods was substantial in hexaploid wheat, where Kallisto appeared to have systematic differences relative to other methods. Only approximately half of the differentially expressed homeologs detected using Kallisto overlapped with those by any other method. In general, disagreement in low expression genes was responsible for most of the discordance between methods, which is consistent with known biases in Kallisto. We also observed that there exist uncertainties in genome sequences and annotation which can affect each method differently. Overall, subgenome-classification approaches tend to perform better than standard approaches with EAGLE-RC having the highest precision.

Abstract Long-term field monitoring of leaf pigment content is informative for understanding plant responses to environments distinct from regulated chambers, but is impractical by conventional destructive measurements. We developed PlantServation, a method incorporating robust image-acquisition hardware and deep learning-based software to analyze field images, where the plant shape, color, and background vary over months. We estimated the anthocyanin contents of small individuals of four Arabidopsis species using color information and verified the results experimentally. We obtained >4 million plant images over three field seasons to study anthocyanin fluctuations. We found significant effects of past radiation, coldness, and precipitation on the anthocyanin content in the field. The synthetic allopolyploid A. kamchatica recapitulated the fluctuations of natural polyploids by integrating diploid responses. The data support a long-standing hypothesis stating that allopolyploids can inherit and combine the traits of progenitors. PlantServation pipeline facilitates the study of plant responses to complex environments termed “ in natura .”