udkastet til genom af vandmelon (Citrullus lanatus) og gensekventering af 20 forskellige tiltrædelser

Genomsekventering og samling

vi valgte den kinesiske elite vandmelon indavlet linje 97103 til genomsekventering. Vi genererede i alt 46,18 Gb genomisk sekvens af høj kvalitet ved hjælp af Illumina-sekventeringsteknologi (supplerende tabel 1), der repræsenterer 108.6-fold dækning af hele vandmelongenomet, som har en estimeret genomstørrelse på 425 Mb på basis af vores 17-mer dybdefordelingsanalyse af de sekventerede læsninger (supplerende Fig. 1)og en tidligere strømningscytometrianalyse9. De novo samling af Illumina reads resulterede i en endelig samling på 353,5 Mb, hvilket repræsenterer 83,2% af vandmelongenomet. Samlingen består af 1.793 stilladser (500 BP) med N50 længder på 2,38 Mb og 26,38 kb for henholdsvis stilladser og contigs (supplerende tabel 2). I alt 234 stilladser, der dækker cirka 330 Mb (93.5% af det samlede genom) blev forankret til de 11 vandmelonkromosomer, blandt hvilke 126 og 94 stilladser, der tegner sig for 70% og 65% af det samlede genom, blev bestilt og orienteret, henholdsvis 10.

vi forsøgte at bestemme, hvorfor 16,8% af genomet ikke var dækket af vores genomsamling ved at tilpasse usamlede læsninger (17,4% af de samlede læsninger) til det samlede genom med mindre strenge kriterier (supplerende Note og supplerende tabel 3). Vi fandt ud af, at de ikke-samlede genomregioner primært består af sekvenser, der ligner dem i de samlede regioner. Fordelingen af de usamlede aflæsninger på vandmelonkromosomerne viste det samme mønster som for transponerbare elementer (Fig. 1a og supplerende Fig. 2). Vi identificerede tre store gentagelsesenheder fra de usamlede sekvenser på basis af deres betydelige læsedybder og sekvenslighed til centromerer, telomerer og ribosomalt DNA (rDNA) klynger. Vi bekræftede yderligere arten af disse gentagelser af fisk (Fig. 1b-d). Tilsammen understøtter disse resultater forestillingen om, at undervurdering af gentagelsesandelen har en vigtig rolle i den ikke-samlede komponent i de novo genomsamlinger, især dem, der genereres ved hjælp af næste generations sekventeringsteknologier11,12,13,14,15,16,17,18.

(a) fordeling af uassocierede aflæsninger på kromosom 1. Fordelingen af uassocierede læser på de andre ti kromosomer er vist i supplerende figur 2. Tes, transponerbare elementer. (B) fisk af vandmelonkromosomer farvet med 4′-6-diamidino-2-phenylindol (DAPI, Blå) ved hjælp af prober fra gentagne enheder svarende til centromeren (lyserød). (C) Fisk Ved hjælp af sonder fra gentagelsesenheder svarende til telomeren (rød). (D) fisk ved hjælp af sonder fra gentagne enheder svarende til rDNA ‘ erne (grøn, 45s; lyserød, 5S). Skala barer, 5 liter.

vi vurderede yderligere kvaliteten af det samlede vandmelongenom ved hjælp af cirka en million Est ‘ er, fire fuldstændigt sekventerede BACs og parrede slutsekvenser af 667 BAC-kloner. Vores analyser understøttede den høje kvalitet af vandmelongenomsamlingen (supplerende Note, supplerende tabel 4-6 og supplerende Fig. 3 og 4), hvilket er positivt sammenligneligt med flere andre nyligt offentliggjorte plantegenomer11,12,13,14,15,16,17,18 brug af næste generations sekventeringsteknologier (tabel 1).

gentag sekvensnotation og genforudsigelse

Transponerbare elementer er hovedkomponenter i eukaryote genomer. Vi identificerede i alt 159,8 Mb (45,2%) af det samlede vandmelongenom som transponerbare element gentagelser. Blandt disse gentagelser kunne 68,3% kommenteres med kendte gentagelsesfamilier. Den lange terminal gentagelse (LTR) retrotransposoner, hovedsageligt Sigøjner-type og Copia-Type ltr ‘ er, er dominerende. Fordelingen af transponerbare elementdivergenshastigheder viste en top på 32% (supplerende Fig. 5). Vi identificerede yderligere 920 (7,8 Mb) ltr-retrotransposoner i fuld længde i vandmelongenomet. Vi fandt ud af, at ltr retrotransposoner i løbet af de sidste 4,5 millioner år akkumulerede meget hurtigere i vandmelon end i agurk14 (supplerende Fig. 6) således at den samlede forskel i deres genomstørrelser kan afspejle den differentielle ltr retrotransposonakkumulering.

vi forudsagde 23.440 protein-kodende gener med høj tillid i vandmelongenomet (supplerende Tabel 7), som er tæt på antallet af gener, der er forudsagt i agurkgenomet19. Cirka 85% af de forudsagte vandmelongener havde enten kendte homologer eller kunne klassificeres funktionelt (supplerende tabel 8). Derudover identificerede vi også 123 ribosomalt RNA (rRNA), 789 transfer RNA, 335 små nukleare RNA og 141 microRNA gener (supplerende Tabel 9).

i overensstemmelse med tidligere rapporterede plantegenomer viste de vandmelonproteinkodende gener et klart berigelsesmønster inden for subtelomere regioner. I modsætning hertil var den transponerbare elementrelaterede fraktion af genomet primært placeret inden for de pericentromere og centromere regioner. De korte arme af kromosomer 4, 8 og 11 er stærkt beriget med gentagne sekvenser (supplerende Fig. 7). 97103 genomet indeholdt en 5s og to 45s rDNA klynger på den korte arm af kromosomer 4 og 8 (ref. 10). Ved hjælp af fisk undersøgte vi yderligere rDNA-mønstre i genomer med 20 repræsentative vandmelontiltrædelser (supplerende Tabel 10). Antallet og placeringen af 5S og 45s rDNA steder i genomerne af de ti moderne dyrkede (C. lanatus subsp. vulgaris) og seks halvvilde vandmeloner (C. lanatus subsp. mucosospermus) var identiske med dem i 97103 genomet, mens genomerne af de fire mere fjernt beslægtede vilde vandmelon (C. lanatus subsp. lanatus) indeholdt et 45s og to 5S rDNA-steder med det yderligere 5s rDNA-sted på den korte arm af kromosom 11 (supplerende Fig. 8). Disse resultater indikerer, at kromosomfusion, fission og transponering af rDNA kan forekomme under udviklingen af C. lanatus arter. Vores analyse bekræftede også det fylogenetiske forhold mellem disse tre vandmelonsubspecier20 og understøttede hypotesen om, at C. lanatus subsp. mucosospermus er den nylige forfader til C. lanatus subsp. vulgaris.

cucurbit genom evolution

genom-dækkende duplikering i angiospermer er almindelig og repræsenterer en vigtig molekylær mekanisme, der har formet moderne plantekaryotyper. I vandmelongenomet identificerede vi syv store triplikationer, der svarede til 302 paralogiske forhold, der dækker 29% af genomet (Fig. 2a). Disse forfædres triplicater svarede til den delte paleoeksploidiseringshændelse (refereret til som Kris) rapporteret for eudicots21, der dateres tilbage til 76-130 millioner år siden. Dette ville være i god tid før cucurbit-genomspecieringshændelsen, der fandt sted for 15-23 millioner år siden (supplerende Fig. 9).

(a) skematisk repræsentation af paralogiske par identificeret i vandmelongenomet (kromosomer v1–v11). Hver linje repræsenterer en syntenisk region. Forskellige farver afspejler oprindelsen fra de syv forfædre eudicot kromosom karyotype (A1, A4, A7, A10, A13, A16 og A19). (B) skematisk repræsentation af syntenier blandt vandmelon (kromosomer 1-11), agurk (kromosomer 1-7) og melongenomer (koblingsgrupper (LG) 1-12). Hver linje repræsenterer en syntenisk region. Delt synteny mellem to af de tre arter er forbundet med en lysegrå linje. (C) udvikling af vandmelongenomet (v1–v11 i bunden) fra de fælles eudicot–genomforfædre til syv kromosomer (A1, A4, A7, A10, A13, A16 og A19) og den afledte paleoheksaploide N = 21 (A1-A21) forfader mellemprodukt. Farvede blokke repræsenterer udviklingen af segmenter fra 7 – eller 21-kromosomforfædrene for at nå den moderne vandmelongenomstruktur. De 172 kromosomale fusioner og fissioner fremhæves med farvede pile. TE, transponerbart element; arbejdsgruppe, duplikering af hele genomet.

for at få adgang til arten af evolutionære begivenheder, der fører til moderne cucurbit-genomstrukturer, analyserede vi de synteniske forhold mellem vandmelon, cucumber19, melon22 og grape21. Vi valgte grape som reference, da det vides at være den nærmeste i forhold til eudicot-forfaden struktureret i syv protochromosomer23. Vi identificerede i alt 3.543 ortologe forhold, der dækker 60% af vandmelongenomet. Vi undersøgte derefter de detaljerede kromosom-til-kromosomforhold inden for Cucurbitaceae-familien og identificerede ortologe kromosomer mellem vandmelon, agurk og melon (Fig. 2b). De komplicerede synteniske mønstre illustreret som mosaik-kromosom-til-kromosom ortologe forhold afslørede en høj grad af kompleksitet af kromosomal udvikling og omlejring blandt disse tre vigtige afgrødearter i familien Cucurbitaceae.

Integration af uafhængige analyser af duplikationer inden for og syntenier mellem de fire eudicot-genomer (vandmelon, agurk, melon og drue) førte til den nøjagtige karakterisering i vandmelon af de syv paleotriplikationer, der for nylig blev identificeret som grundlaget for definitionen af syv forfædres kromosomgrupper i eudicots24. På grundlag af den ancestral sekskaploidisering (Kris) rapporteret for eudicots, foreslår vi et evolutionært scenario, der har formet de 11 vandmelonkromosomer fra 7-kromosom eudicot-forfædrene gennem de 21 paleoheksaploide mellemprodukter. Vi foreslår, at overgangen fra 21-kromosom eudicot mellemliggende forfædre involverede 81 fissioner og 91 fusioner for at nå den moderne 11-kromosomstruktur af vandmelon, som er repræsenteret som en mosaik af 102 forfædres blokke (Fig. 2c).

vurdering af genetisk mangfoldighed i vandmelonkimplasme

vi valgte 20 repræsentative vandmelontiltrædelser til genomresekventering. Disse omfattede ti dyrkede tiltrædelser, der repræsenterede de største sorter af C. lanatus subsp. vulgaris (fem Østasien og fem Amerika økotyper), seks halvvilde C. lanatus subsp. mucosospermus og fire vilde C. lanatus subsp. lanatus (supplerende Tabel 10 og supplerende Fig. 10). Vi sekventerede disse tiltrædelser til mellem 5 og 16 og kortlagde de korte læsninger til genomet af 97103 (supplerende Tabel 11). Vi identificerede i alt 6.784.860 kandidat SNP ‘ er og 965.006 små indsættelser/sletninger (indels) blandt de 20 resekventerede linjer og 97103. De største variationer eksisterede mellem C. lanatus subsp. lanatus og de to andre underarter, mens variationen inden for den dyrkede vandmelon, især C. lanatus subsp. vulgaris America ecotype, var relativt lav (supplerende tabel 12). Nøjagtigheden af vores SNP-og indel-opkald var henholdsvis 99,3% og 98%, som angivet ved Sanger-sekventering (supplerende Note og supplerende tabel 13). Dette omfattende datasæt for vandmelongenomvariation, der dækker et bredt spektrum af vandmelongenetisk mangfoldighed, repræsenterer en værdifuld ressource til biologisk opdagelse og forbedring af germplasm.

vi evaluerede den genetiske mangfoldighed af vandmelonpopulationen ved hjælp af to fælles sammenfattende statistikker, Hr. Den anslåede mængde mangfoldighed i vandmelon (supplerende tabel 14) var væsentligt lavere end den, der blev fundet i maise26, sojabønne27 og ris28. Vild vandmelon indeholder større genetisk mangfoldighed, hvilket indikerer yderligere genetisk mulighed for forbedring af vandmelon. Vi undersøgte også befolkningsstrukturen og forholdet mellem vandmelontiltrædelserne gennem opførelse af et nabo-sammenføjningstræ (Fig. 3a) og principal component analysis (PCA) (Fig. 3b). Begge analyser angav det tætte forhold mellem C. lanatus subsp. vulgaris og C. lanatus subsp. mucosospermus (supplerende Note). Yderligere analyse af befolkningsstruktur ved hjælp af frappe-programmet29 med K (antallet af populationer) indstillet fra 2 til 5 identificerede en ny undergruppe inden for C. lanatus subsp. mucosospermus gruppe (når K = 5) og blandinger mellem C. lanatus subsp. vulgaris og C. lanatus subsp. mucosospermus (Fig. 3c og supplerende Note). Den nye undergruppe viser nogle karakteristika ved den dyrkede vandmelon, såsom blød kødstruktur, lyserød kødfarve og relativt højt sukkerindhold (supplerende Tabel 10 og supplerende Fig. 10). Sammen giver disse resultater yderligere støtte til vores foreslåede evolutionære scenarie af C. lanatus subsp. mucosospermus til C. lanatus subsp. vulgaris afledt af FISKEANALYSEN af kromosomal rDNA-distribution.

(a) nabo-sammenføjning fylogenetisk træ af vandmelon tiltrædelser på grundlag af SNP ‘ er. B) PCA-analyse af vandmelontiltrædelser ved hjælp af SNP ‘ er som markører. C. lanatus subsp. vulgaris Østasien og Amerika økotyper og C. lanatus subsp. mucosospermus tiltrædelser klynge sammen (pil) og er næsten umulig at skelne. C) befolkningsstruktur for vandmelontiltrædelser. Hver farve repræsenterer en population, hver tiltrædelse er repræsenteret af en lodret bjælke, og længden af hvert farvet segment i hver lodret bjælke repræsenterer den andel, som forfædres populationer bidrager med. Vist er repræsentative vandmelonbilleder fra hver underart eller økotype.

vi scannede derefter genomet for regioner med de højeste forskelle i genetisk mangfoldighed (nmucosospermus/nvulgaris) mellem C. lanatus subsp. mucosospermus og C. lanatus subsp. vulgaris. Disse regioner repræsenterer potentielle selektive fejninger under vandmelon domesticering, som moderne vandmelon Sorter menes at være blevet tæmmet fra C. lanatus subsp. mucosospermus. Vi identificerede i alt 108 regioner (7,78 Mb i størrelse) indeholdende 741 kandidatgener (Fig. 4 og supplerende tabel 15). Selvom genkomplementer i disse regioner kunne have været påvirket af genetisk hitchhiking, identificerede vi biologiske processer signifikant beriget i kandidatgener, der var relateret til vigtige udvalgte træk sammenlignet med hele genomet, herunder regulering af kulhydratbrug, sukkermedieret signalering, kulhydratmetabolisme, respons på saccharosestimulering, regulering af nitrogenforbindelsesmetabolisme, cellulær respons på kvælstofsult og vækst (supplerende Note og supplerende tabel 16-18).

lyserøde søjler under aksen svarer til regioner med 1% signifikansniveau for mangfoldighedsforskel (nmucosospermus/nvulgaris).

det er bemærkelsesværdigt, at visse ikke-centromere regioner, især en stor region på kromosom 3 (fra kr3,4 Mb til kr5,6 Mb), kun har særlig høj nukleotiddivergens blandt C. lanatus subsp. mucosospermus tiltrædelser (Fig. 4). En tidligere rapport beskrev et lignende fund i tre forskellige riskryds, og det blev antydet, at disse befolkningsspecifikke regioner med høj divergens var stærkt forbundet med gener involveret i reproduktive barrierer30. Vi analyserede gener i den store region med høj mangfoldighed på kromosom 3 og fandt faktisk, at de mest signifikant berigede genkategorier var genkendelse af pollen og pollen-pistil-interaktionen; begge disse genkategorier er relateret til reproduktive barrierer (supplerende tabel 19). Derudover fastslog vi, at regionen indeholdt en stor klynge af 12 tandemly arrayed s-locus proteinkinase gener, som er involveret i reproduktive barrierer31. Den høje nukleotiddivergens af reproduktive barrieregener i C. lanatus subsp. mucosospermus, den nylige stamfader til moderne dyrket vandmelon, indikerer, at domesticering af vandmelon kan være en mulig kraft, der er ansvarlig for den hurtige udvikling af reproduktive barrierer, som det er rapporteret i ris30. Desuden blev gener involveret i plantesvar på abiotiske og biotiske belastninger også signifikant beriget i denne region ud over gener relateret til flere kendte udvalgte træk såsom kulhydratmetabolisme, frugtsmag (terpenmetabolisme) og frøolieindhold (fedtsyremetabolisme) (supplerende tabel 19).

udvikling af sygdomsresistensgener i vandmelon

vandmelonafgrøden lider store tab af adskillige sygdomme. Derfor er forbedring af patogenresistens et løbende mål for vandmelonavlsprogrammer. For at undersøge det molekylære grundlag for patogenfølsomhed søgte vi efter tre hovedklasser af resistensgener i vandmelongenomet, nemlig nukleotidbindingsstedet og leucinrig gentagelse (NBS-LRR), lipoksygenase (loks)32 og receptorlignende genfamilier33. Vi identificerede i alt 44 NBS-LRR gener, herunder 18 Toll interleukin receptor (TIR)-NBS– LRR-og 26 coiled-coil (CC)-NBS–LRR-kodende gener (supplerende tabel 20). Vandmelon NBS-LRR-generne udviklede sig uafhængigt, og vi opdagede ingen sekvensudvekslinger mellem forskellige homologer. Sådanne evolutionære mønstre ligner dem af type II r gener i salat og Arabidopsis34, hvilket indikerer, at vandmelon har lav mangfoldighed af NBS-LRR gener. Antallet af NBS-LRR-gener i vandmelongenomet svarer til antallet i cucumber14 og papaya35, men er betydeligt færre end antallet i maise36, rice37 og apple12. I modsætning hertil har LOKSGENFAMILIEN gennemgået en ekspansion i vandmelongenomet med 26 medlemmer, hvoraf 19 er arrangeret i to tandem-genarrayer (supplerende Fig. 11). Lignende fund er blevet rapporteret i agurk, hvor udvidelse af LOKSEGENFAMILIEN er blevet betragtet som en mulig komplementær mekanisme til at klare patogeninvasion14. Vi identificerede yderligere 197 receptorlignende gener i vandmelongenomet, blandt hvilke 35 koder receptorlignende proteiner, der mangler et kinasedomæne, og 162 koder receptorlignende kinaser, der har et intracellulært kinasedomæne ud over de ekstracellulære LRR-og transmembrandomæner (supplerende tabel 20). Mange af disse resistensgener er placeret på kromosomer i klynger (supplerende Fig. 11), hvilket antyder tandem-duplikationer som deres evolutionære grundlag.

det er blevet spekuleret i,at manglen på resistens over for en lang række sygdomme i moderne vandmelonsorter er resultatet af de mange års dyrkning og udvælgelse, der har fokuseret på ønskelige frugtkvaliteter på bekostning af sygdomsresisten8, 38. For at teste denne opfattelse udførte vi de novo-samlinger af ikke-kortlagte læsninger samlet hver fra moderne kultiveret (C. lanatus subsp. vulgaris) og halvvild og vild (C. lanatus subsp. mucosospermus og C. lanatus subsp. lanatus, henholdsvis) tiltrædelser. Vi identificerede 11 og 69 gener fra henholdsvis de dyrkede og de halvvilde og vilde grupper, der er homologe med kendte planteproteiner (supplerende tabel 21). Det er værd at nævne her, at de 69 nye gener identificeret fra den halvvilde og vilde gruppe var stærkt beriget med sygdomsrelaterede gener inklusive 6 tir-LRR-NBS gener, 1 PR-1 gen og 3 lipoksygenase gener, hvorimod ingen af de 11 gener identificeret i den dyrkede gruppe var sygdomsrelaterede. Derudover var alle de 44 NBS-LRR-gener, der blev identificeret i 97103-genomet, også til stede i de halvvilde og vilde tiltrædelser (supplerende Note). Disse fund understøtter hypotesen om, at en stor del af sygdomsresistensgener er gået tabt under domesticering af vandmelon.

analyse af cucurbit phloem sap og vaskulære transkriptomer

angiosperm-enukleatsigtrørsystemet indeholder mRNA, hvoraf nogle har vist sig at fungere som et langdistancesignaleringsmiddel39,40. Gennem dyb transkriptomsekventering (supplerende tabel 22) identificerede vi henholdsvis 13.775 og 14.242 mRNA-arter i vandmelon og agurk vaskulære bundter og 1.519 og 1.012 udskrifter i vandmelon og agurk phloem sap (supplerende tabeller 23-26). Især fandt vi, at gensættene i de vaskulære bundter mellem de to cucurbit-arter var næsten identiske, mens kun 50-60% af de transkripter, der blev påvist i phloem sap, var almindelige mellem de to arter (supplerende Note og supplerende tabel 27). Gen ontologi (GO) term berigelsesanalyse viste, at hovedkategorierne blandt de almindelige phloem-transkripter var respons på stress eller stimulus (supplerende tabel 28), hvilket er fuldt ud i overensstemmelse med den centrale rolle af det plantevaskulære system og især phloem i det langdistancekommunikationssystem, der integrerer abiotisk og biotisk stresssignalering på hele planteniveauet41. I modsætning hertil identificerede analyse af phloem-transkripter, der er unikke for vandmelon, makromolekylær biosynteseproces og proteinmetabolisk proces som de vigtigste GO-kategorier (supplerende tabel 29). De unikke phloem sap-udskrifter kan afspejle specialiserede funktioner, der er unikke for phloemens rolle i disse arter. Det er bemærkelsesværdigt, at vandmelonfloem indeholdt 118 transkriptionsfaktorer, mens vi kun identificerede 46 transkriptionsfaktorer i agurk og 32 transkriptionsfaktorer, der var fælles for begge (supplerende tabeller 30-32).

græskar (Cucurbita maksima) er blevet brugt som model system til phloem studies 42,43. Vi udviklede pumpkin vascular bundle og phloem sap transkript kataloger gennem generation og de novo samling af Illumina parret-ende RNA sekventering (RNA-Sekv) læser. Sammenlignende analyse af vandmelon -, agurk-og græskarfloemtranskriptomerne viste, at cirka 36% af deres udskrifter var fælles (supplerende Fig. 12). Disse konserverede udskrifter udfører sandsynligvis funktioner, der er centrale for driften af sigterørsystemet i de fleste cucurbit og muligvis yderligere arter.

regulering af vandmelonfrugtudvikling og kvalitet

Vandmelonfrugtudvikling er en kompleks proces, der involverer store ændringer i størrelse, farve, struktur, sukkerindhold og ernæringsmæssige komponenter. For at opnå en omfattende karakterisering af de gener, der er involveret i udviklingen og kvaliteten af vandmelonfrugt, udførte vi strengspecifik RNA-Sekv44 af både kød og skorpe på fire afgørende stadier af frugtudvikling i den indavlede linje 97103 (supplerende tabel 33). Vi identificerede 3.046 og 558 gener, der blev udtrykt forskelligt i henholdsvis kød og skorpe under frugtudvikling og 5.352 gener, der blev udtrykt forskelligt mellem kød og skorpe i mindst et af de fire faser (supplerende tabeller 34-36). GO term berigelsesanalyse viste, at under frugtudvikling i både kød og skorpe blev biologiske processer såsom cellevægbiogenese, flavonoidmetabolisme og forsvarsresponser signifikant ændret (falske opdagelseshastigheder (FDR) < 0,01), mens carotenoid -, geksose-og monosaccharidmetabolske processer kun blev signifikant ændret i kødet, hvilket understøtter store fysiologiske forskelle, herunder sukkerindhold og frugtfarve, mellem kød og skorpe (supplerende tabel 37).

sukkerindhold er en nøglefaktor til bestemmelse af vandmelonfrugtkvalitet. En vandmelons sødme bestemmes af både det samlede sukkerindhold og forholdet mellem de vigtigste akkumulerede sukkerarter: glucose, fructose og sucrose45. I unge 97103 frugtkød, fructose og glucose er de dominerende sukkerarter, hvorimod i modne 97103 frugtkød, både saccharose og samlede sukkerindhold er væsentligt forøget, med saccharose derefter bliver den dominerende sukker; i sværen, sukkerindholdet forbliver relativt lavt (supplerende tabel 38). Endelig sukkerakkumulering i vandmelonfrugt bestemmes ved sukkeraflæsning fra floem efterfulgt af optagelse og metabolisme i frugtkødet. Det annoterede vandmelongenom indeholder i alt 62 sukkermetabolske gener og 76 sukkertransportgener, blandt hvilke 13 sukkermetabolske gener og 14 sukkertransportgener blev udtrykt forskelligt under kødudvikling og mellem kød-og skorpevæv (supplerende tabel 39 og 40). På baggrund af disse resultater og tidligere offentliggjort arbejde fra andre plantearter46,47 foreslår vi en model for sukkermetabolisme i cellerne i vandmelonfrugtkød (supplerende Fig. 13). Specielt under udvikling af vandmelonkødsfunktion, er der tale om en vigtig funktion i reguleringen af sukkeraflæsning og metabolisme, som er vigtig i forbindelse med udvikling af vandmelonkøds -, uopløselig syre-invertase, neutral invertase, saccharosefosfatsyntase, UDP-glucose 4-epimerase, opløselig syre-invertase og UDP-galactose/glucosepyrophosphorylase. Desuden er de 14 differentielt udtrykte sukkertransportører sandsynligvis ansvarlige for sukkeropdeling (supplerende Note).

transkriptionsfaktorer spiller også en rolle i sukkerakkumulering48. Af de 1.448 formodede transkriptionsfaktorgener identificeret i vandmelongenomet viste 193 signifikante ekspressionsændringer (FDR < 0,01) under kødudvikling og også i kød sammenlignet med skorpe i senere stadier, herunder transkriptionsfaktorer fra familier, der vides at være involveret i reguleringen af sukkerakkumulering (supplerende Note og supplerende tabel 41 og 42). Det er bemærkelsesværdigt, at et bsip-gen, Cla014572, nedreguleres under kødudvikling og indeholder den saccharosestyrede opstrøms åbne læseramme (SC-uORF) (supplerende Note og supplerende Fig. 14). Det blev for nylig rapporteret, at transgene planter, der konstitutivt udtrykker tobak SC-uORF indeholdende bsip-genet tbs17, men mangler dets SC-uORF, havde øget sukkerkoncentrationer49. Derfor er vores Analyse i overensstemmelse med en rolle for Cla014572 som en vigtig regulator for sukkerakkumulering under frugtudvikling.

MADS-boks gener, såsom MADS-RIN (også kendt som LeMADS-RIN)50 og TAGL1 (ref. 51) i tomat, er blevet rapporteret at regulere frugt ekspansion og modning processer. Fylogenetisk analyse af vandmelon, agurk og Arabidopsis MADS-boks transkriptionsfaktorer sammen med MADS-RIN og TAGL1 identificerede to MADS-boks transkriptionsfaktorer fra vandmelon i hver af RIN-og AGL1-kladerne (supplerende Note og supplerende Fig. 15). Disse fire gener (Cla000691 og Cla010815 i RIN clade og Cla009725 og Cla019630 i AGL1 clade) er blandt de mest udtrykte Mads-boks transkriptionsfaktorer under frugtudvikling (supplerende tabel 43). Især i modsætning til MADS-RIN, som kun udtrykkes stærkt i modningsfrugter, udtrykkes både Cla000691 og Cla010815 stærkt gennem frugtudviklingen, hvilket indikerer, at de kunne have udviklet sig til at deltage i andre funktioner ud over modning. Det er bemærkelsesværdigt i denne henseende, at tætte banan – og jordbærhomologer fra MADS-RIN også viser udtryk og / eller funktionelle aktiviteter,der strækker sig ud over modningsfrugten52, 53. Ekspressionsprofilerne for Cla009725 og Cla019630 under frugtudvikling svarer til TAGL1, hvilket er i overensstemmelse med deres potentielle roller i reguleringen af frugtudvidelse og modning51.

citrullin er en ikke-essentiel aminosyre fremstillet af glutamin og har forskellige fordele for sundhed og atletisk præstation. Dets navn er afledt af citrullus, det latinske ord for vandmelon, hvorfra det først blev isoleret54. Vandmelonkød og skorpe tjener som en naturlig kilde til citrullin, og dens overflod øges væsentligt under frugtmodning, men falder derefter, når frugten bliver overmoden (supplerende Fig. 16). På baggrund af vores annotation af vandmelongenomet identificerede vi 14 gener i citrullin metaboliske vej (supplerende Fig. 17). Sammenlignet med Arabidopsis citrullin metabolisk vej, denne vej i vandmelon har gennemgået ekspansion i arginosuccinase-og arginosuccinatsyntasefamilierne. Begge er involveret i konvertering af citrullin til L-arginin. Vi fandt, at en arginosuccinase og to arginosuccinatsyntasegener var stærkt nedreguleret under udvikling af vandmelonkød (supplerende tabel 44). Således er citrullinakkumulering i det modne frugtkød sandsynligvis et resultat af nedsatte aktiviteter af citrullinnedbrydning.