Structural variation in the pangenome of wild and domesticated barley

Murukarthick Jayakodi(Texas A&M University System), Qiongxian Lu(Carlsberg Laboratory), Hélène Pidon(Centre National de la Recherche Scientifique), M. Timothy Rabanus‐Wallace(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Micha Bayer(James Hutton Institute), Thomas Lux(Helmholtz Zentrum München), Yu Guo(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Benjamin Jaegle(University of Zurich), Ana Badea(Agriculture and Agri-Food Canada), Wubishet A. Bekele(Agriculture and Agri-Food Canada), Gurcharn S. Brar(University of British Columbia), Katarzyna Braune(Carlsberg Laboratory), Boyke Bunk(Leibniz Institute DSMZ – German Collection of Microorganisms and Cell Cultures), K. J. Chalmers(The University of Adelaide), Brett Chapman(Murdoch University), Morten Egevang Jørgensen(Carlsberg Laboratory), Jia‐Wu Feng(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Manuel Feser(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Anne Fiebig(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Heidrun Gundlach(Helmholtz Zentrum München), Wenbin Guo(James Hutton Institute), Georg Haberer(Helmholtz Zentrum München), Mats Hansson(Lund University), Axel Himmelbach(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Iris Hoffie(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Robert E. Hoffie(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Haifei Hu(Murdoch University), Sachiko Isobe(Kazusa DNA Research Institute), Patrick König(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Sandip M. Kale(Aarhus University), Nadia Kamal(Helmholtz Zentrum München), Gabriel Keeble‐Gagnère(La Trobe University), Beat Keller(University of Zurich), Manuela Knauft(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Ravi Koppolu(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Simon G. Krattinger(King Abdullah University of Science and Technology), Jochen Kumlehn(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Peter Langridge(The University of Adelaide), Chengdao Li(Murdoch University), Marina Püpke Marone(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Andreas Maurer(Martin Luther University Halle-Wittenberg), Klaus Mayer(Helmholtz Zentrum München), Michael Melzer(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Gary J. Muehlbauer(University of Minnesota), Emiko Murozuka(Carlsberg Laboratory), Sudharsan Padmarasu(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Dragan Perović(Julius Kühn-Institut), Klaus Pillen(Martin Luther University Halle-Wittenberg), Pierre A. Pin, Curtis Pozniak(University of Saskatchewan), Luke Ramsay(James Hutton Institute), Pai Pedas(Carlsberg Laboratory), Twan Rutten(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Shun Sakuma(Tottori University), Kazuhiro Sato(Okayama University), Danuta Schüler(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Thomas Schmutzer(Martin Luther University Halle-Wittenberg), Uwe Scholz(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Miriam Schreiber(James Hutton Institute), Kenta Shirasawa(Kazusa DNA Research Institute), Craig G. Simpson(James Hutton Institute), Birgitte Skadhauge(Carlsberg Laboratory), M. Spannagl(Helmholtz Zentrum München), Brian J. Steffenson(University of Minnesota), Hanne Cecilie Thomsen(Carlsberg Laboratory), Josquin Tibbits(La Trobe University), Martin Toft Simmelsgaard Nielsen(Carlsberg Laboratory), Corinna Trautewig(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK)), Dominique Vequaud, Cynthia Voss(Carlsberg Laboratory), Penghao Wang(Murdoch University), Robbie Waugh(James Hutton Institute), Sharon Westcott(Murdoch University), Magnus Wohlfahrt Rasmussen(Carlsberg Laboratory), Runxuan Zhang(James Hutton Institute), Xiao‐Qi Zhang(Murdoch University), Thomas Wicker(University of Zurich), Christoph Dockter(Carlsberg Laboratory), Martin Mascher(German Centre for Integrative Biodiversity Research), Nils Stein(Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK))
Nature
November 13, 2024
Cited by 120Open Access
Full Text

Abstract

Pangenomes are collections of annotated genome sequences of multiple individuals of a species1. The structural variants uncovered by these datasets are a major asset to genetic analysis in crop plants2. 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 are rich in gene copy number variation. 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 allelic diversity at structurally complex loci may have helped crop plants to adapt to new selective regimes in agricultural ecosystems. A pangenome analysis of 76 wild and domesticated barley accessions in combination with short-read sequence data of 1,315 barley genotypes indicates that allelic diversity at structurally complex loci may have helped crop plants to adapt to agricultural ecosystems.


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