An ordered draft sequence of the 17-gigabase hexaploid bread wheat ( Triticum aestivum ) genome has been produced by sequencing isolated chromosome arms. We have annotated 124,201 gene loci distributed nearly evenly across the homeologous chromosomes and subgenomes. Comparative gene analysis of wheat subgenomes and extant diploid and tetraploid wheat relatives showed that high sequence similarity and structural conservation are retained, with limited gene loss, after polyploidization. However, across the genomes there was evidence of dynamic gene gain, loss, and duplication since the divergence of the wheat lineages. A high degree of transcriptional autonomy and no global dominance was found for the subgenomes. These insights into the genome biology of a polyploid crop provide a springboard for faster gene isolation, rapid genetic marker development, and precise breeding to meet the needs of increasing food demand worldwide.

Insights from the annotated wheat genome Wheat is one of the major sources of food for much of the world. However, because bread wheat's genome is a large hybrid mix of three separate subgenomes, it has been difficult to produce a high-quality reference sequence. Using recent advances in sequencing, the International Wheat Genome Sequencing Consortium presents an annotated reference genome with a detailed analysis of gene content among subgenomes and the structural organization for all the chromosomes. Examples of quantitative trait mapping and CRISPR-based genome modification show the potential for using this genome in agricultural research and breeding. Ramírez-González et al. exploited the fruits of this endeavor to identify tissue-specific biased gene expression and coexpression networks during development and exposure to stress. These resources will accelerate our understanding of the genetic basis of bread wheat. Science , this issue p. eaar7191 ; see also p. eaar6089

The allohexaploid bread wheat genome consists of three closely related subgenomes (A, B, and D), but a clear understanding of their phylogenetic history has been lacking. We used genome assemblies of bread wheat and five diploid relatives to analyze genome-wide samples of gene trees, as well as to estimate evolutionary relatedness and divergence times. We show that the A and B genomes diverged from a common ancestor ~7 million years ago and that these genomes gave rise to the D genome through homoploid hybrid speciation 1 to 2 million years later. Our findings imply that the present-day bread wheat genome is a product of multiple rounds of hybrid speciation (homoploid and polyploid) and lay the foundation for a new framework for understanding the wheat genome as a multilevel phylogenetic mosaic.

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.

Allohexaploid bread wheat ( Triticum aestivum L.) provides approximately 20% of calories consumed by humans. Lack of genome sequence for the three homeologous and highly similar bread wheat genomes (A, B, and D) has impeded expression analysis of the grain transcriptome. We used previously unknown genome information to analyze the cell type–specific expression of homeologous genes in the developing wheat grain and identified distinct co-expression clusters reflecting the spatiotemporal progression during endosperm development. We observed no global but cell type– and stage-dependent genome dominance, organization of the wheat genome into transcriptionally active chromosomal regions, and asymmetric expression in gene families related to baking quality. Our findings give insight into the transcriptional dynamics and genome interplay among individual grain cell types in a polyploid cereal genome.

Abstract Ubiquitin (Ub) ligases E3 are an important factor in selecting target proteins for ubiquitination and determining the type of polyubiquitin chains on the target proteins. In the HECT (homologous to E6AP C-terminus)-type E3 ligases, the HECT domain is composed of an N-lobe containing the E2-binding site and a C-lobe containing the catalytic Cys residue that forms a thioester bond with Ub. These two lobes are connected by a flexible hinge loop. The large conformational rearrangement of the HECT domain via the flexible hinge loop is essential for HECT-type E3-mediated Ub transfer from E2 to a target protein. However, detailed insights into the structural dynamics of this type of E3 ligases remain unclear. Here, we provide the first direct demonstration of structural dynamics of the E6AP HECT domain using high-speed atomic force microscopy. We also investigated structural dynamics of hinge loop flexibility restricted HECT domain, and we found that flexibility of the E6AP hinge loop has a great impact not only on its structural dynamics but also on the formation of free Ub chains mediated by E3-E3 interactions.

Abstract Optimizing the timing of heading is crucial for achieving stable production in bread wheat ( Triticum aestivum L.). We analyzed a breeding line, ‘B1-0393’, that headed 5 days earlier than the Japanese elite cultivar ‘Kitahonami’. To identify quantitative trait loci (QTLs) responsible for this difference, we conducted QTL-seq using F 3 progeny of a cross between ‘Kitahonami’ and ‘B1-0393’. We detected QTLs on chromosomes 2D ( QDth.kupg-2D ), 3D ( QDth.kupg-3D ), and 4A ( QDth.kupg-4A ), explaining 10.25%, 2.00%, and 8.24%, respectively, of phenotypic variance. The QDth.kupg-2D locus corresponded to the major photoperiod-regulating gene Photoperiod-D1 ( Ppd-D1 ). ‘Kitahonami’ had the photoperiod-sensitive Ppd-D1b allele and ‘B1-0393’ had the insensitive Ppd-D1a allele. QDth.kupg-4A overlapped with previously reported QTLs, while QDth.kupg-3D was a novel QTL. Segregation analysis using F 2 and F 3 plants confirmed that alleles from ‘B1-0393’ at all three loci accelerated heading and that the three QTLs had additive effects on days to heading. Our findings could be valuable for regulating the timing of heading to optimize wheat yield.