Humans heavily rely on dozens of domesticated plant species that have been further improved through intensive breeding. To evaluate how breeding changed the tomato fruit metabolome, we have generated and analyzed a dataset encompassing genomes, transcriptomes, and metabolomes from hundreds of tomato genotypes. The combined results illustrate how breeding globally altered fruit metabolite content. Selection for alleles of genes associated with larger fruits altered metabolite profiles as a consequence of linkage with nearby genes. Selection of five major loci reduced the accumulation of anti-nutritional steroidal glycoalkaloids in ripened fruits, rendering the fruit more edible. Breeding for pink tomatoes modified the content of over 100 metabolites. The introgression of resistance genes from wild relatives in cultivars also resulted in major and unexpected metabolic changes. The study reveals a multi-omics view of the metabolic breeding history of tomato, as well as provides insights into metabolome-assisted breeding and plant biology.

Cultivated rice varieties are all diploid, and polyploidization of rice has long been desired because of its advantages in genome buffering, vigorousness, and environmental robustness. However, a workable route remains elusive. Here, we describe a practical strategy, namely de novo domestication of wild allotetraploid rice. By screening allotetraploid wild rice inventory, we identified one genotype of Oryza alta (CCDD), polyploid rice 1 (PPR1), and established two important resources for its de novo domestication: (1) an efficient tissue culture, transformation, and genome editing system and (2) a high-quality genome assembly discriminated into two subgenomes of 12 chromosomes apiece. With these resources, we show that six agronomically important traits could be rapidly improved by editing O. alta homologs of the genes controlling these traits in diploid rice. Our results demonstrate the possibility that de novo domesticated allotetraploid rice can be developed into a new staple cereal to strengthen world food security.

Fruit characteristics of sweet watermelon are largely the result of human selection. Here we report an improved watermelon reference genome and whole-genome resequencing of 414 accessions representing all extant species in the Citrullus genus. Population genomic analyses reveal the evolutionary history of Citrullus, suggesting independent evolutions in Citrullus amarus and the lineage containing Citrullus lanatus and Citrullus mucosospermus. Our findings indicate that different loci affecting watermelon fruit size have been under selection during speciation, domestication and improvement. A non-bitter allele, arising in the progenitor of sweet watermelon, is largely fixed in C. lanatus. Selection for flesh sweetness started in the progenitor of C. lanatus and continues through modern breeding on loci controlling raffinose catabolism and sugar transport. Fruit flesh coloration and sugar accumulation might have co-evolved through shared genetic components including a sugar transporter gene. This study provides valuable genomic resources and sheds light on watermelon speciation and breeding history.

Nuclei of arbuscular endomycorrhizal fungi have been described as highly diverse due to their asexual nature and absence of a single cell stage with only one nucleus. This has raised fundamental questions concerning speciation, selection and transmission of the genetic make-up to next generations. Although this concept has become textbook knowledge, it is only based on studying a few loci, including 45S rDNA. To provide a more comprehensive insight into the genetic makeup of arbuscular endomycorrhizal fungi, we applied de novo genome sequencing of individual nuclei of Rhizophagus irregularis. This revealed a surprisingly low level of polymorphism between nuclei. In contrast, within a nucleus, the 45S rDNA repeat unit turned out to be highly diverged. This finding demystifies a long-lasting hypothesis on the complex genetic makeup of arbuscular endomycorrhizal fungi. Subsequent genome assembly resulted in the first draft reference genome sequence of an arbuscular endomycorrhizal fungus. Its length is 141 Mbps, representing over 27,000 protein-coding gene models. We used the genomic sequence to reinvestigate the phylogenetic relationships of Rhizophagus irregularis with other fungal phyla. This unambiguously demonstrated that Glomeromycota are more closely related to Mucoromycotina than to its postulated sister Dikarya.

Missing heritability in genome-wide association studies defines a major problem in genetic analyses of complex biological traits1,2. The solution to this problem is to identify all causal genetic variants and to measure their individual contributions3,4. Here we report a graph pangenome of tomato constructed by precisely cataloguing more than 19 million variants from 838 genomes, including 32 new reference-level genome assemblies. This graph pangenome was used for genome-wide association study analyses and heritability estimation of 20,323 gene-expression and metabolite traits. The average estimated trait heritability is 0.41 compared with 0.33 when using the single linear reference genome. This 24% increase in estimated heritability is largely due to resolving incomplete linkage disequilibrium through the inclusion of additional causal structural variants identified using the graph pangenome. Moreover, by resolving allelic and locus heterogeneity, structural variants improve the power to identify genetic factors underlying agronomically important traits leading to, for example, the identification of two new genes potentially contributing to soluble solid content. The newly identified structural variants will facilitate genetic improvement of tomato through both marker-assisted selection and genomic selection. Our study advances the understanding of the heritability of complex traits and demonstrates the power of the graph pangenome in crop breeding.