The domestication of wild emmer wheat led to the selection of modern durum wheat, grown mainly for pasta production. We describe the 10.45 gigabase (Gb) assembly of the genome of durum wheat cultivar Svevo. The assembly enabled genome-wide genetic diversity analyses revealing the changes imposed by thousands of years of empirical selection and breeding. Regions exhibiting strong signatures of genetic divergence associated with domestication and breeding were widespread in the genome with several major diversity losses in the pericentromeric regions. A locus on chromosome 5B carries a gene encoding a metal transporter (TdHMA3-B1) with a non-functional variant causing high accumulation of cadmium in grain. The high-cadmium allele, widespread among durum cultivars but undetected in wild emmer accessions, increased in frequency from domesticated emmer to modern durum wheat. The rapid cloning of TdHMA3-B1 rescues a wild beneficial allele and demonstrates the practical use of the Svevo genome for wheat improvement. Genome assembly of durum wheat cultivar Svevo enables genome-wide genetic diversity analyses highlighting modifications imposed by thousands of years of empirical selection and breeding.

No-tillage (NT) is becoming increasingly attractive to farmers because it clearly reduces production costs relative to conventional tillage (CT). However, many producers in southern Italy are reluctant to adopt this practice because NT can have contrasting consequences on grain yield depending on weather conditions. The effect of NT and CT on continuous durum wheat (Triticum durum Desf.) under rainfed Mediterranean conditions was studied, over a 3-year period (2000–2002) at two locations (Foggia and Vasto) in southern Italy. Yield, grain quality [thousand kernel weight (TKW), test weight (TW) and protein content (PC)] and soil water content were assessed. Higher yield was obtained with NT than CT in the first 2 years at Foggia. In contrast, mean yield and quality parameters at Vasto were similar for the two treatments, except in the third year in which CT produced more than NT (4.6 Mg ha−1 versus 2.9 Mg ha−1). At Foggia, TW and TKW were higher in NT than CT in all years. Highest PC was obtained under CT (19.6% and 15.5% for CT versus 14.7% and 11.4% for NT, respectively, in the growing season 2000–2001 and 2001–2002) indicating that grain was shriveled with low starch accumulation. At Foggia, where this study was part of a long-term experiment started in 1995, a strong correlation was observed between yield and rainfall during the wheat growing season. The coefficient of determination (R2) values for CT and NT were 0.69* and 0.31 ns, respectively, and the regression straight line crossed around 300 mm of rainfall. These results indicate that NT was superior below this rainfall value, whereas more rainfall enhanced yield in CT. We conclude that NT performed better at Foggia with limited rainfall during the durum wheat growing season. The superior effect of NT in comparison to CT, was due to lower water evaporation from soil combined with enhanced soil water availability.

Conservation, characterization and exploitation of agrobiodiversity are key factors to guarantee food security and face future challenges such as climate changes. These issues are the subject of a series of international agreements, such as the Convention of Biological Diversity, with its Nagoya Protocol, and the International Treaty on Plant Genetic Resources for Food and Agriculture (ITPGRFA) adopted in 2001 and entered into force in 2004. Italy ratified the Treaty in 2004 and instituted a long-lasting program, RGV-FAO, to implement it. CREA is one of the three organizations involved in the RGV-FAO Program, together with the National Research Council (CNR) and Reti Semi Rurali. CREA maintains a total of 40,186 accessions including cereals, vegetables, fruits, forages, industrial crops, forest and woody crops, medicinal and aromatic plants, and their wild relatives. Accessions are conserved using different ex situ conservation systems (seeds, in vivo plants, vegetative organs and in vitro plantlets), and characterized using genetic, morpho-phenological and/or biochemical methods. Herein, we will present the CREA long-lasting program RGV-FAO with some examples of the use of plant genetic resources in breeding programs, including molecular approaches. Some critical issues related to access and benefit sharing in PGRFA, such as the Nagoya Protocol and the Digital Sequence Information, will be discussed, highlighting their potential impact on food security and on the advancement of knowledge.

Mounting evidence indicates the key role of Nitrogen (N) on diverse processes in plant, including not only yield but also development and defense. Using a combined transcriptomics and metabolomics approach, we studied the response of seedlings to N starvation of two different tetraploid wheat genotypes from the two main domesticated subspecies, emmer (Triticum turgidum ssp. dicoccum) and durum wheat (Triticum turgidum ssp. durum). We found that durum wheat exhibits broader and stronger response in comparison to emmer as evidenced by the analysis of the differential expression pattern of both genes and metabolites and gene enrichment analysis. Emmer and durum wheat showed major differences in the responses to N starvation for transcription factor families. While emmer showed differential reduction in the levels of primary metabolites to N starvation, durum wheat exhibited increased levels of most metabolites, including GABA as an indicator of metabolic imbalance. The correlation-based networks including the differentially expressed genes and metabolites revealed tighter regulation of metabolism in durum wheat in comparison to emmer, as evidenced by the larger number of significant correlations. We also found that glutamate and GABA had highest values of centrality in the metabolic correlation network, suggesting their critical role in the genotype-specific response to N starvation of emmer and durum wheat, respectively. Moreover, this finding indicates that there might be contrasting strategies associated to GABA and Glutamate signaling modulating shoot vs root growth in the two different wheat subspecies.

Introgressions of Thinopyrum ponticum 7AgL chromosome segments, spanning 23%, 28% and 40% of the distal end of durum wheat 7AL arm, were previously shown to contain multiple beneficial gene(s)/QTL for yield-related traits, in addition to effective disease resistance (Lr19, Sr25) and quality (Yp) genes. In the present study, durum wheat near isogenic recombinant lines (NIRLs), harbouring each of the three introgressions, were included for the first time in multi-location field trials, to evaluate general and environment-specific effects of the alien chromatin on 26 yield-related traits. The results from nine different trials across contrasting environments of Italy, Morocco and South Australia over four years revealed that the overall impact of 7AgL introgressions into the tetraploid wheat background did not imply, except in one environment, major yield penalty. The comprehensive effect of the three 7AgL segments on individual yield-contributing traits, resulted in significant increases of biomass m-2 (+9%), spike number m-2 (+13%), grain number m-2 (+11%) and spikelet-1 (+8%), but also in a general, significant decrease of grain weight (-8%). When the separate NIRLs were analysed, each of the three 7AgL segments turned out to be associated with variation of specific yield components. The effects of the 40%-long segment proved to be the most stably expressed across environments and involved significant increases of spike and grain number m-2 (13% and 15%, respectively), grain number spike-1 (10%) and spike fertility index (46%), though accompanied by a significant decrease in thousand grain weight (-23%). In spite of this trade-off between grain number and grain weight, their interplay was such that in four trials, including dryer environments, a grain yield advantage was observed. This evidence, and comparison with the two other NIRLs, substantiates the hypothesized existence of major gene(s)/QTL for grain number in the most proximal 28-40% 7AgL region, exclusive to the 40%-long 7AgL introgression. The present study represents an important validation of the use of chromosomally engineered genetic stocks for durum wheat improvement, targeting not only disease resistance and quality traits but also relevant yield components.

Silybum marianum (L.) Gaertn. is a multipurpose crop native to the Mediterranean and middle east regions and mainly known for the hepatoprotective properties of fruit-derived silymarin. Despite growing interest in milk thistle as a versatile crop with medicinal value, its potential in agroindustry is hindered by incomplete domestication and limited genomic knowledge, impeding the development of competitive breeding programs. The present study aimed to evaluate genetic diversity in a panel of S. marianum accessions (n = 31), previously characterized for morphological and phytochemical traits, using 5,178 polymorphic DArTseq SNP markers. The genetic structure investigated using both parametric and non-parametric approaches (e.g. PCA, AWclust, Admixture), revealed three distinctive groups reflecting geographical origins. Indeed, Pop1 grouped accessions from Central Europe and UK, Pop3 consisted mainly of accessions of Italian origin, and Pop2 included accessions from different geographical areas. Interestingly, Italian genotypes showed a divergent phenotypic distribution, particularly in fruit oleic and linoleic acid content, compared to the other two groups. Genetic differentiation among the three groups, investigated by computing pairwise fixation index (FST), confirmed a greater differentiation of Pop3 compared to other subpopulations, also based on other diversity indices (e.g. private alleles, heterozygosity). Finally, 22 markers were declared as putatively under natural selection, of which seven significantly affected some important phenotypic traits such as oleic, arachidonic, behenic and linoleic acid content. These findings suggest that these markers, and overall, the seven SNP markers identified within Pop3, could be exploited in specific breeding programs, potentially aimed at diversifying the use of milk thistle. Indeed, incorporating genetic material from Pop3 haplotypes carrying the selected loci into milk thistle breeding populations might be the basis for developing milk thistle lines with higher levels of oleic, arachidonic, and behenic acids, and lower levels of linoleic acid, paving new avenues for enhancing the nutritional and agronomic characteristics of milk thistle.

Abstract Fine tuning crop development is a major breeding avenue to increase crop yield and for adaptation to climate change. In this study, we used a model that integrates our current understanding of the physiology of wheat phenology to predict the development and anthesis date of a RILs population of durum wheat with genotypic parameters controlling vernalization requirement, photoperiod sensitivity, and earliness per se estimated using leaf stage, final leaf number, anthesis date data from a pot experiment with vernalized and nonvernalized treatments combined with short- and long-day length. Predictions of final leaf number and anthesis date of the QTL-based model was evaluated for the whole population of RILs in a set of independent field trials and for the two parents, which were not used to estimate the parameter values. Our novel approach reduces the number of environments, experimental costs, and the time required to obtain the required data sets to develop a QTL-based prediction of model parameters. Moreover, the use of a physiologically based model of phenology gives new insight into genotype-phenology relations for wheat. We discuss the approach we used to estimate the parameters of the model and their association with QTL and major phenology genes that collocate at QTL. Highlight We used a modeling framework integrating our current understanding of the physiology of wheat phenology to dissect durum wheat time to anthesis into physiological traits and link them to QTL.

Abstract The domestication of crops is associated with the genome-wide loss of nucleotide diversity caused by selection and genetic drift. Here we investigated 32 genotypes representing key stages in the domestication of tetraploid wheat, i.e. wild emmer, emmer and durum wheat. RNA-Seq analysis was combined with estimates of evolvability, heritability and Q ST to characterize the plasticity of gene expression and its adaptive role in primary and secondary domestication under different nitrogen growth conditions. We confirmed the loss of nucleotide diversity and found that primary and secondary domestication affected gene expression diversity in different ways, influenced by nitrogen availability. We found that nitrogen starvation induced the expression of a larger number of genes in durum wheat compared to emmer and wild emmer. Q ST distributions and Q ST –F ST comparisons revealed distinct selection signatures at each domestication stage. While primary domestication affected the expression of genes involved in biotic interactions, secondary domestication was associated with changes in expression of genes involved in metabolism of amino acids, particularly lysine. Our combined results revealed genes specifically involved in nitrogen metabolism, such as glutamate dehydrogenase , with important role in early development, underwent selection during secondary domestication. Therefore, our findings show that nitrogen availability had a pivotal role during the domestication and adaptive responses of one of our major food crops, with varying effects across different traits.