Abstract Background MicroRNAs (miRNAs) are a class of small non-coding regulatory RNAs that regulate gene expression by guiding target mRNA cleavage or translational inhibition. MiRNAs can have large-scale regulatory effects on development and stress response in plants. Results To test whether miRNAs play roles in regulating response to powdery mildew infection and heat stress in wheat, by using Solexa high-throughput sequencing we cloned the small RNA from wheat leaves infected by preponderant physiological strain Erysiphe graminis f. sp. tritici ( Egt ) or by heat stress treatment. A total of 153 miRNAs were identified, which belong to 51 known and 81 novel miRNA families. We found that 24 and 12 miRNAs were responsive to powdery mildew infection and heat stress, respectively. We further predicted that 149 target genes were potentially regulated by the novel wheat miRNA. Conclusions Our results indicated that diverse set of wheat miRNAs were responsive to powdery mildew infection and heat stress and could function in wheat responses to both biotic and abiotic stresses.

Hexaploid wheat (Triticum aestivum) is a globally important crop. Heat, drought and their combination dramatically reduce wheat yield and quality, but the molecular mechanisms underlying wheat tolerance to extreme environments, especially stress combination, are largely unknown. As an allohexaploid, wheat consists of three closely related subgenomes (A, B, and D), and was reported to show improved tolerance to stress conditions compared to tetraploid. But so far very little is known about how wheat coordinates the expression of homeologous genes to cope with various environmental constraints on the whole-genome level. To explore the transcriptional response of wheat to the individual and combined stress, we performed high-throughput transcriptome sequencing of seedlings under normal condition and subjected to drought stress (DS), heat stress (HS) and their combination (HD) for 1 h and 6 h, and presented global gene expression reprograms in response to these three stresses. Gene Ontology (GO) enrichment analysis of DS, HS and HD responsive genes revealed an overlap and complexity of functional pathways between each other. Moreover, 4,375 wheat transcription factors were identified on a whole-genome scale based on the released scaffold information by IWGSC, and 1,328 were responsive to stress treatments. Then, the regulatory network analysis of HSFs and DREBs implicated they were both involved in the regulation of DS, HS and HD response and indicated a cross-talk between heat and drought stress. Finally, approximately 68.4 % of homeologous genes were found to exhibit expression partitioning in response to DS, HS or HD, which was further confirmed by using quantitative RT-PCR and Nullisomic-Tetrasomic lines. A large proportion of wheat homeologs exhibited expression partitioning under normal and abiotic stresses, which possibly contributes to the wide adaptability and distribution of hexaploid wheat in response to various environmental constraints.

Abstract Background Biotic and abiotic stresses, such as powdery mildew infection and high temperature, are important limiting factors for yield and grain quality in wheat production. Emerging evidences suggest that long non-protein coding RNAs (npcRNAs) are developmentally regulated and play roles in development and stress responses of plants. However, identification of long npcRNAs is limited to a few plant species, such as Arabidopsis, rice and maize, no systematic identification of long npcRNAs and their responses to abiotic and biotic stresses is reported in wheat. Results In this study, by using computational analysis and experimental approach we identified 125 putative wheat stress responsive long npcRNAs, which are not conserved among plant species. Among them, some were precursors of small RNAs such as microRNAs and siRNAs, two long npcRNAs were identified as signal recognition particle (SRP) 7S RNA variants, and three were characterized as U3 snoRNAs. We found that wheat long npcRNAs showed tissue dependent expression patterns and were responsive to powdery mildew infection and heat stress. Conclusion Our results indicated that diverse sets of wheat long npcRNAs were responsive to powdery mildew infection and heat stress, and could function in wheat responses to both biotic and abiotic stresses, which provided a starting point to understand their functions and regulatory mechanisms in the future.

Abstract Background Wheat is a major crop in the world, and the high temperature stress can reduce the yield of wheat by as much as 15%. The molecular changes in response to heat stress are poorly understood. Using GeneChip ® Wheat Genome Array, we analyzed genome-wide gene expression profiles in the leaves of two wheat genotypes, namely, heat susceptible 'Chinese Spring' (CS) and heat tolerant 'TAM107' (TAM). Results A total of 6560 (~10.7%) probe sets displayed 2-fold or more changes in expression in at least one heat treatment ( f alse d iscovery r ate, FDR, α = 0.001). Except for heat shock protein (HSP) and heat shock factor (HSF) genes, these putative heat responsive genes encode transcription factors and proteins involved in phytohormone biosynthesis/signaling, calcium and sugar signal pathways, RNA metabolism, ribosomal proteins, primary and secondary metabolisms, as well as proteins related to other stresses. A total of 313 probe sets were differentially expressed between the two genotypes, which could be responsible for the difference in heat tolerance of the two genotypes. Moreover, 1314 were differentially expressed between the heat treatments with and without pre-acclimation, and 4533 were differentially expressed between short and prolonged heat treatments. Conclusion The differences in heat tolerance in different wheat genotypes may be associated with multiple processes and mechanisms involving HSPs, transcription factors, and other stress related genes. Heat acclimation has little effects on gene expression under prolonged treatments but affects gene expression in wheat under short-term heat stress. The heat stress responsive genes identified in this study will facilitate our understanding of molecular basis for heat tolerance in different wheat genotypes and future improvement of heat tolerance in wheat and other cereals.

ABSTRACT Intracellular gene transfers (IGTs) between the nucleus and organelles, including plastids and mitochondria, constantly reshapes the nuclear genome during evolution. Despite the substantial contribution of IGTs to genome variation, the dynamic trajectories of IGTs at the pangenomic level remain elusive. Here, we propose a novel approach, IGTminer, to map the evolutionary trajectories of IGTs by collinearity and gene reannotation across multiple genome assemblies. IGTminer was applied to create a nuclear organelle gene (NOG) map across 67 genomes covering 15 Poaceae species, including important crops, revealing the polymorphisms and trajectory dynamics of NOGs. The NOGs produced were verified by experimental evidence and resequencing datasets. We found that most of the NOGs were recently transferred and lineage specific, and that Triticeae species tended to have more NOGs than other Poaceae species. Wheat had a higher retention rate of NOGs than maize and rice, and the retained NOGs were likely involved in the photosynthesis and translation pathways. Large numbers of NOG clusters were aggregated in hexaploid wheat during two rounds of polyploidization and contributed to the genetic diversities among modern wheat varieties. Finally, we proposed a radiocarbon-like model illustrating the transfer and elimination dynamics of NOGs, highlighting the unceasing integration and selective retention of NOGs over evolutionary time. In addition, we implemented an interactive webserver for NOG exploration in Poaceae. In summary, this study provides new resources and clues for the roles of IGTs in shaping inter- and intraspecies genome variation and driving plant genome evolution.

Wheat is a staple food for more than 35% of the world's population, with wheat flour used to make hundreds of baked goods. Superior end-use quality is a major breeding target; however, improving it is especially time-consuming and expensive. Furthermore, genes encoding seed-storage proteins (SSPs) form multi-gene families and are repetitive, with gaps commonplace in several genome assemblies. To overcome these barriers and efficiently identify superior wheat SSP alleles, we developed "PanSK" (Pan-SSP k-mer) for genotype-to-phenotype prediction based on an SSP-based pangenome resource. PanSK uses 29-mer sequences that represent each SSP gene at the pangenomic level to reveal untapped diversity across landraces and modern cultivars. Genome-wide association studies with k-mers identified 23 SSP genes associated with end-use quality that represent novel targets for improvement. We evaluated the effect of rye secalin genes on end-use quality and found that removal of ω-secalins from 1BL/1RS wheat translocation lines is associated with enhanced end-use quality. Finally, using machine-learning-based prediction inspired by PanSK, we predicted the quality phenotypes with high accuracy from genotypes alone. This study provides an effective approach for genome design based on SSP genes, enabling the breeding of wheat varieties with superior processing capabilities and improved end-use quality.

Background The cost of high-throughput sequencing is rapidly decreasing, allowing researchers to investigate genomic variations across hundreds or even thousands of samples in the post-genomic era. The management and exploration of these large-scale genomic variation data require programming skills. The public genotype querying databases of many species are usually centralized and implemented independently, making them difficult to update with new data over time. Currently, there is a lack of a widely used framework for setting up user-friendly web servers for exploring new genomic variation data in diverse species.Results Here, we present SnpHub, a Shiny/R-based server framework for retrieving, analysing and visualizing the large-scale genomic variation data that be easily set up on any Linux server. After a pre-building process based on the provided VCF files and genome annotation files, the local server allows users to interactively access SNPs/INDELs and annotation information by locus or gene and for user-defined sample sets through a webpage. Users can freely analyse and visualize genomic variations in heatmaps, phylogenetic trees, haplotype networks, or geographical maps. Sample-specific sequences can be accessed as replaced by SNPs/INDELs.Conclusions SnpHub can be applied to any species, and we build up a SnpHub portal website for wheat and its progenitors based on published data in present studies. SnpHub and its tutorial are available as .

Heat stress threatens global wheat (Triticum aestivum) production, causing dramatic yield losses worldwide. Identifying heat tolerance genes and comprehending molecular mechanisms are essential. Here, we identify a heat tolerance gene, TaSG-D1E286K, in Indian dwarf wheat (Triticum sphaerococcum), which encodes an STKc_GSK3 kinase. TaSG-D1E286K improves heat tolerance compared to TaSG-D1 by enhancing phosphorylation and stability of downstream target TaPIF4 under heat stress condition. Additionally, we reveal evolutionary footprints of TaPIF4 during wheat selective breeding in China, that is, InDels predominantly occur in the TaPIF4 promoter of Chinese modern wheat cultivars and result in decreased expression level of TaPIF4 in response to heat stress. These sequence variations with negative effect on heat tolerance are mainly introduced from European germplasm. Our study provides insight into heat stress response mechanisms and proposes a potential strategy to improve wheat heat tolerance in future.