Abstract Genetic diversity is key to crop improvement. Owing to pervasive genomic structural variation, a single reference genome assembly cannot capture the full complement of sequence diversity of a crop species (known as the ‘pan-genome’ 1 ). Multiple high-quality sequence assemblies are an indispensable component of a pan-genome infrastructure. Barley ( Hordeum vulgare L.) is an important cereal crop with a long history of cultivation that is adapted to a wide range of agro-climatic conditions 2 . Here we report the construction of chromosome-scale sequence assemblies for the genotypes of 20 varieties of barley—comprising landraces, cultivars and a wild barley—that were selected as representatives of global barley diversity. We catalogued genomic presence/absence variants and explored the use of structural variants for quantitative genetic analysis through whole-genome shotgun sequencing of 300 gene bank accessions. We discovered abundant large inversion polymorphisms and analysed in detail two inversions that are frequently found in current elite barley germplasm; one is probably the product of mutation breeding and the other is tightly linked to a locus that is involved in the expansion of geographical range. This first-generation barley pan-genome makes previously hidden genetic variation accessible to genetic studies and breeding.

Abstract Background A pangenome aims to capture the complete genetic diversity within a species and reduce bias in genetic analysis inherent in using a single reference genome. However, the current linear format of most plant pangenomes limits the presentation of position information for novel sequences. Graph pangenomes have been developed to overcome this limitation. However, there is a lack of bioinformatics analysis tools for graph format genomes. Results To overcome this problem, we have developed a novel pangenome construction strategy and a downstream pangenome analysis pipeline that captures position information while maintaining a linearized layout. We applied this strategy to construct a high-quality rice pangenome using 12 representative rice genomes and analyze an international rice panel with 413 diverse accessions using the pangenome reference. Our results provide insights into rice population structure and genomic diversity. Applying the pangenome for PAV-based GWAS analysis can identify causal structural variations for rice grain weight and plant height, while SNP-based GWAS can only identify approximate genomic locations. Additionally, a new locus (qPH8-1) was found to be associated with plant height on chromosome 8 that could not be detected using the SNP-based GWAS. Conclusions Our results demonstrate that the pangenome constructed by our pipeline combined with PAV-based GWAS can provide additional power for genomic and genetic analysis. The pangenome constructed in this study and associated genome sequence data provide valuable genomic resources for future rice crop improvement.

Abstract Bread wheat is one of humanity’s most important staple crops, characterized by a large and complex genome with a high level of gene presence/absence variation between cultivars, hampering genomic approaches for crop improvement. With the growing global population and the increasing impact of climate change on crop yield, there is an urgent need to apply genomic approaches to accelerate wheat breeding. With recent advances in DNA sequencing technology, a growing number of high-quality reference genomes are becoming available, reflecting the genetic content of a diverse range of cultivars. However, information on the presence or absence of genomic regions has been hard to visualize and interrogate due to the size of these genomes and the lack of suitable bioinformatics tools. To address this limitation, we have produced a wheat pangenome graph maintained within an online database to facilitate interrogation and comparison of wheat cultivar genomes. The database allows users to visualize regions of the pangenome to assess presence/absence variation between bread wheat genomes. Database URL: http://www.appliedbioinformatics.com.au/wheat_panache

Chromosome-scale genome sequence assemblies underpin pan-genomic studies. Recent genome assembly efforts in the large-genome Triticeae crops wheat and barley have relied on the commercial closed-source assembly algorithm DeNovoMagic. We have developed TRITEX, an open-source computational workflow that combines paired-end, mate-pair, 10X Genomics linked-read with chromosome conformation capture sequencing data to construct sequence scaffolds with megabase-scale contiguity ordered into chromosomal pseudomolecules. We evaluated the performance of TRITEX on publicly available sequence data of tetraploid wild emmer and hexaploid bread wheat, and constructed an improved annotated reference genome sequence assembly of the barley cultivar Morex as a community resource.

Monitoring the mutation dynamics of SARS-CoV-2 is critical for the development of effective approaches to contain the pathogen. By analyzing 106 SARS-CoV-2 and 39 SARS genome sequences, we provided direct genetic evidence that SARS-CoV-2 has a much lower mutation rate than SARS. Minimum Evolution phylogeny analysis revealed the putative original status of SARS-CoV-2 and the early-stage spread history. The discrepant phylogenies for the spike protein and its receptor binding domain proved a previously reported structural rearrangement prior to the emergence of SARS-CoV-2. Despite that we found the spike glycoprotein of SARS-CoV-2 is particularly more conserved, we identified a mutation that leads to weaker receptor binding capability, which concerns a SARS-CoV-2 sample collected on 27th January 2020 from India. This represents the first report of a significant SARS-CoV-2 mutant, and raises the alarm that the ongoing vaccine development may become futile in future epidemic if more mutations were identified.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

The future of plant cultivar improvement lies in the evaluation of genetic resources from currently available germplasm. Recent efforts in plant breeding have been aimed at developing new and improved varieties from poorly adapted crops to suit local environments. However, the impact of these breeding efforts is poorly understood. Here, we assess the contributions of both historical and recent breeding efforts to local adaptation and crop improvement in a global barley panel by analysing the distribution of genetic variants with respect to geographic region or historical breeding category. By tracing the impact breeding had on the genetic diversity of barley released in Australia, where the history of barley production is relatively young, we identify 69 candidate regions within 922 genes that were under selection pressure. We also show that modern Australian barley varieties exhibit 12% higher genetic diversity than historical cultivars. Finally, field-trialling and phenotyping for agriculturally relevant traits across a diverse range of Australian environments suggests that genomic regions under strong breeding selection and their candidate genes are closely associated with key agronomic traits. In conclusion, our combined dataset and germplasm collection provide a rich source of genetic diversity that can be applied to understanding and improving environmental adaptation and enhanced yields.

Abstract Chickpea is an economically important legume crop with high nutritional value in human diets. Aluminium-toxicity poses a significant challenge for the yield improvement of this increasingly popular crop in acidic soils. The wild progenitors of chickpea may provide a more diverse gene pool for Al-tolerance in chickpea breeding. However, the genetic basis of Al-tolerance in chickpea and its wild relatives remains largely unknown. Here, we assessed the Al-tolerance of six selected wild Cicer accessions by measuring the root elongation in solution culture under control (0 µM Al 3+ ) and Al-treatment (30 µM Al 3+ ) conditions. Al-treatment significantly reduced the root elongation in all target lines compared to the control condition after 2-day’s growth. However, the relative reduction of root elongation in different lines varied greatly: 3 lines still retained significant root growth under Al-treatment, whilst another 2 lines displayed no root growth at all. We performed genome-wide identification of multidrug and toxic compound extrusion (MATE) encoding genes in the Cicer genome. A total of 56 annotated MATE genes were identified, which divided into 4 major phylogeny groups (G1-4). Four homologues to lupin LaMATE (> 50% aa identity; named CaMATE1-4 ) were clustered with previously characterised MATEs related to Al-tolerance in various other plants. qRT-PCR showed that CaMATE2 transcription in root tips was significantly up-regulated upon Al-treatment in all target lines, whilst CaMATE1 was up-regulated in all lines except Bari2_074 and Deste_064, which coincided with the lines displaying no root growth under Al-treatment. Transcriptional profiling in five Cicer tissues revealed that CaMATE1 is specifically transcribed in the root tissue, further supporting its role in Al-detoxification in roots. This first identification of MATE-encoding genes associated with Al-tolerance in Cicer paves the ways for future functional characterization of MATE genes in Cicer spp., and to facilitate future design of gene-specific markers for Al-tolerant line selection in chickpea breeding programs.

Pangenomes are collections of annotated genome sequences of multiple individuals of a species. The structural variants uncovered by these datasets are a major asset to genetic analysis in crop plants. Here, we report a pangenome of barley comprising long-read sequence assemblies of 76 wild and domesticated genomes and short-read sequence data of 1,315 genotypes. An expanded catalogue of sequence variation in the crop includes structurally complex loci that have become hot spots of gene copy number variation in evolutionarily recent times. To demonstrate the utility of the pangenome, we focus on four loci involved in disease resistance, plant architecture, nutrient release, and trichome development. Novel allelic variation at a powdery mildew resistance locus and population-specific copy number gains in a regulator of vegetative branching were found. Expansion of a family of starch-cleaving enzymes in elite malting barleys was linked to shifts in enzymatic activity in micro-malting trials. Deletion of an enhancer motif is likely to change the developmental trajectory of the hairy appendages on barley grains. Our findings indicate that rapid evolution at structurally complex loci may have helped crop plants adapt to new selective regimes in agricultural ecosystems.