Der Entwurf des Genoms der Wassermelone (Citrullus lanatus) und Resequenzierung von 20 verschiedenen Akzessionen

Genomsequenzierung und Assemblierung

Wir haben die chinesische Elite-Wassermelonen-Inzuchtlinie 97103 für die Genomsequenzierung ausgewählt. Wir generierten insgesamt 46,18 GB hochwertiger Genomsequenz mit Illumina-Sequenzierungstechnologie (Ergänzende Tabelle 1), was 108 entspricht.6-fache Abdeckung des gesamten Wassermelonengenoms, das eine geschätzte Genomgröße von ∼425 Mb auf der Grundlage unserer 17-mer Tiefenverteilungsanalyse der sequenzierten Lesevorgänge aufweist (Ergänzende Abb. 1) und eine frühere Durchflusszytometrie-Analyse9. Die De-novo-Assemblierung der Illumina-Reads führte zu einer endgültigen Assemblierung von 353,5 Mb, was 83,2% des Wassermelonengenoms entspricht. Die Baugruppe besteht aus 1.793 Gerüsten (≥500 bp) mit N50-Längen von 2,38 Mb bzw. 26,38 kb für die Gerüste und Contigs (ergänzende Tabelle 2). Insgesamt 234 Gerüste mit einer Größe von ungefähr 330 Mb (93.5% des assemblierten Genoms) waren an den 112 Chromosomen verankert, von denen 126 und 94 Gerüste, die 70% und 65% des assemblierten Genoms ausmachten, geordnet und orientiert waren10.

Wir wollten herausfinden, warum 16,8% des Genoms nicht von unserer Genomassemblierung abgedeckt wurden, indem wir nicht zusammengesetzte Lesevorgänge (17,4% der gesamten Lesevorgänge) mit weniger strengen Kriterien auf das zusammengesetzte Genom ausrichteten (Ergänzende Anmerkung und ergänzende Tabelle 3). Wir fanden heraus, dass die unassemblierten Genomregionen hauptsächlich aus Sequenzen bestehen, die denen der assemblierten Regionen ähnlich sind. Die Verteilung der unassemblierten Reads auf den Wassermelonenchromosomen zeigte das gleiche Muster wie bei transponierbaren Elementen (Abb. 1a und ergänzend Fig. 2). Wir identifizierten drei Hauptwiederholungseinheiten aus den unassemblierten Sequenzen auf der Grundlage ihrer erheblichen Lesetiefen und Sequenzähnlichkeiten mit Zentromeren, Telomeren und ribosomalen DNA (rDNA) -Clustern. Wir bestätigten weiter die Art dieser Wiederholungen durch FISCHE (Abb. 1b-d). Zusammen stützen diese Ergebnisse die Vorstellung, dass die Unterschätzung des Wiederholungsanteils eine wichtige Rolle bei der nicht zusammengesetzten Komponente von De-novo-Genomanordnungen spielt, insbesondere bei solchen, die mit Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation erzeugt werden11,12,13,14,15,16,17,18.

( a) Verteilung von nicht zusammengesetzten Reads auf Chromosom 1. Die Verteilung der nicht zusammengesetzten Reads auf den anderen zehn Chromosomen ist in ergänzender Abbildung 2 dargestellt. TES, transponierbare Elemente. (b) FISCH von Wassermelonenchromosomen, gefärbt mit 4′-6-Diamidino-2-phenylindol (DAPI, blau) unter Verwendung von Sonden aus Wiederholungseinheiten ähnlich dem Zentromer (rosa). (c) FISCHE, die Sonden von Wiederholungseinheiten verwenden, die dem Telomer ähnlich sind (rot). (d) FISCHE mit Sonden aus Wiederholungseinheiten ähnlich den rDNAs (grün, 45S; rosa, 5S). Maßstabsbalken, 5 µm.

Wir bewerteten die Qualität des zusammengesetzten Wassermelonengenoms anhand von ungefähr einer Million ESTs, vier vollständig sequenzierten BACs und gepaarten Endsequenzen von 667 BAC-Klonen. Unsere Analysen stützten die hohe Qualität der Wassermelonengenomassemblierung (Ergänzender Hinweis, Ergänzende Tabellen 4-6 und ergänzende Abb. 3 und 4), die günstig mit mehreren anderen kürzlich veröffentlichten Pflanzengenomen vergleichbar11 ist,12,13,14,15,16,17,18 verwendung von Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation (Tabelle 1).

Wiederholungssequenzanmerkung und Genvorhersage

Transponierbare Elemente sind Hauptbestandteile eukaryotischer Genome. Wir identifizierten insgesamt 159,8 Mb (45,2%) des zusammengesetzten Wassermelonengenoms als transponierbare Elementwiederholungen. Unter diesen Wiederholungen konnten 68,3% mit bekannten Wiederholungsfamilien kommentiert werden. Die lange terminale Wiederholung (LTR) Retrotransposons, hauptsächlich Zigeuner-Typ und Copia-Typ LTRs, sind vorherrschend. Die Verteilung der transponierbaren Elementdivergenzraten zeigte einen Peak bei 32% (Ergänzende Abb. 5). Wir identifizierten weiter 920 (7,8 Mb) LTR-Retrotransposons in voller Länge im Wassermelonengenom. Wir fanden heraus, dass sich LTR-Retrotransposons in den letzten 4,5 Millionen Jahren in Wassermelonen viel schneller angesammelt haben als in Gurken14 (Ergänzende Abb. 6), so dass der Gesamtunterschied in ihren Genomgrößen die differentielle LTR-Retrotransposonakkumulation widerspiegeln kann.

Wir haben 23.440 proteinkodierende Gene mit hoher Konfidenz im Wassermelonengenom vorhergesagt (ergänzende Tabelle 7), was nahe an der Anzahl der im Gurkengenom vorhergesagten Gene liegt19. Ungefähr 85% der vorhergesagten Gene hatten entweder bekannte Homologe oder konnten funktionell klassifiziert werden (ergänzende Tabelle 8). Darüber hinaus identifizierten wir auch 123 ribosomale RNA (rRNA), 789 Transfer-RNA, 335 kleine Kern-RNA und 141 microRNA-Gene (ergänzende Tabelle 9).

In Übereinstimmung mit zuvor berichteten Pflanzengenomen zeigten die wassermelonenproteinkodierenden Gene ein klares Anreicherungsmuster innerhalb subtelomerer Regionen. Im Gegensatz dazu befand sich die transponierbare elementbezogene Fraktion des Genoms hauptsächlich innerhalb der perizentromeren und zentromeren Regionen. Die kurzen Arme der Chromosomen 4, 8 und 11 sind stark mit Wiederholungssequenzen angereichert (Ergänzende Abb. 7). Das 97103-Genom enthielt einen 5S- und zwei 45S-rDNA-Cluster auf dem kurzen Arm der Chromosomen 4 und 8 (Ref. 10). Mit FISH untersuchten wir weiter rDNA-Muster in Genomen von 20 repräsentativen Wassermelonenakzessionen (ergänzende Tabelle 10). Die Anzahl und Lage von 5S- und 45S-rDNA-Stellen in den Genomen der zehn modernen Organismen (C. lanatus subsp. vulgaris) und sechs halbwilde Wassermelonen (C. lanatus subsp. mucosospermus) waren identisch mit denen im 97103-Genom, wohingegen die Genome der vier weiter entfernt verwandten wilden Wassermelonen (C. lanatus subsp. lanatus) enthielt eine 45S- und zwei 5S-rDNA-Stellen, wobei die zusätzliche 5S-rDNA-Stelle auf dem kurzen Arm von Chromosom 11 lag (Ergänzende Abb. 8). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Chromosomenfusion, -spaltung und -transposition von rDNA während der Evolution von C. lanatus-Arten auftreten können. Unsere Analyse bestätigte auch die phylogenetische Beziehung dieser drei Wassermelonen-Unterarten20 und stützte die Hypothese, dass C. lanatus subsp. mucosospermus ist der jüngste Vorfahr von C. lanatus subsp. vulgaris.

Cucurbit genome evolution

Die genomweite Duplikation in Angiospermen ist weit verbreitet und stellt einen wichtigen molekularen Mechanismus dar, der moderne Pflanzenkaryotypen geprägt hat. Im Wassermelonengenom identifizierten wir sieben Haupttriplikationen, die 302 paralogischen Beziehungen entsprachen, die 29% des Genoms abdeckten (Abb. 2a). Diese Ahnentriplikate entsprachen dem gemeinsamen Paläohexaploidisierungsereignis (referenziert als γ), das für Eudikots21 berichtet wurde und auf 76-130 Millionen Jahre zurückgeht. Dies wäre weit vor dem Speziationsereignis des Kürbisgenoms vor 15-23 Millionen Jahren (Ergänzende Abb. 9).

( a) Schematische Darstellung paraloger Paare, die im Wassermelonengenom identifiziert wurden (Chromosomen w1–w11). Jede Linie repräsentiert eine syntenische Region. Verschiedene Farben spiegeln Herkunft aus den sieben angestammten eudicot Chromosom Karyotyp (A1, A4, A7, A10, A13, A16 und A19). (b) Schematische Darstellung von Syntenien zwischen Wassermelonen (Chromosomen 1-11), Gurken (Chromosomen 1-7) und Melonengenomen (Verknüpfungsgruppen (LG) 1-12). Jede Linie repräsentiert eine syntenische Region. Die gemeinsame Syntenie zwischen zwei der drei Arten ist durch eine hellgraue Linie verbunden. (c) Evolution des Wassermelonengenoms (w1–w11 unten) aus den gemeinsamen Eudicot–Genomvorfahren von sieben Chromosomen (A1, A4, A7, A10, A13, A16 und A19) und dem abgeleiteten paläohexaploiden n = 21 (A1-A21) Vorfahren Zwischenprodukt. Farbige Blöcke stellen die Entwicklung von Segmenten von den 7- oder 21-Chromosom Vorfahren der modernen Wassermelone Genomstruktur zu erreichen. Die 172 Chromosomenfusionen und -spalten sind mit farbigen Pfeilen hervorgehoben. TE, transponierbares Element; WGD, Duplikation des gesamten Genoms.

Um auf die Natur evolutionärer Ereignisse zuzugreifen, die zu modernen Cucurbit-Genomstrukturen führen, analysierten wir die syntenischen Beziehungen zwischen Wassermelone, Gurken19, Melonen22 und Trauben21. Wir haben Grape als Referenz gewählt, da es bekanntermaßen der engste Verwandte des in sieben Protochromosomen strukturierten Eudicot-Vorfahren ist23. Wir identifizierten insgesamt 3.543 orthologe Beziehungen, die 60% des Wassermelonengenoms abdecken. Anschließend untersuchten wir die detaillierten Chromosom-zu-Chromosom-Beziehungen innerhalb der Familie der Kürbisgewächse und identifizierten orthologe Chromosomen zwischen Wassermelone, Gurke und Melone (Abb. 2b). Die komplizierten syntenischen Muster, die als mosaikartige orthologe Chromosom-zu-Chromosom-Beziehungen dargestellt wurden, enthüllten ein hohes Maß an Komplexität der chromosomalen Evolution und Umlagerung zwischen diesen drei wichtigen Pflanzenarten der Familie der Kürbisgewächse.

Die Integration unabhängiger Analysen von Duplikationen innerhalb und Syntenien zwischen den vier Eudicot-Genomen (Wassermelone, Gurke, Melone und Traube) führte zur genauen Charakterisierung der sieben Paläotriplikationen in der Wassermelone, die kürzlich als Grundlage für die Definition von sieben chromosomalen Ahnengruppen in Eudicots identifiziert wurden24. Auf der Grundlage der für die Eudicots gemeldeten Hexaploidisierung (γ) der Vorfahren schlagen wir ein Evolutionsszenario vor, das die 11 Wassermelonenchromosomen von den 7-Chromosomen-Eudicot-Vorfahren bis zu den 21 paläohexaploiden Zwischenprodukten geformt hat. Wir schlagen vor, dass der Übergang von den 21-Chromosomen-Eudikot-Zwischenvorfahren 81-Fusionen und 91-Fusionen umfasste, um die moderne 11-Chromosomenstruktur der Wassermelone zu erreichen, die als Mosaik aus 102-Ahnenblöcken dargestellt wird (Abb. 2c).

Bewertung der genetischen Vielfalt im Wassermelonenkeimplasma

Wir haben 20 repräsentative Wassermelonenakzessionen für die Genom-Resequenzierung ausgewählt. Dazu gehörten zehn kultivierte Akzessionen, die die Hauptsorten von C. lanatus subsp. vulgaris (fünf ostasiatische und fünf amerikanische Ökotypen), sechs halbwilde C. lanatus subsp. mucosospermus und vier wilde C. lanatus subsp. lanatus (Ergänzende Tabelle 10 und ergänzende Abb. 10). Wir sequenzierten diese Akzessionen auf eine Abdeckung zwischen 5 × und 16 × und kartierten die kurzen Lesevorgänge auf das Genom von 97103 (ergänzende Tabelle 11). Wir identifizierten insgesamt 6.784.860 SNP-Kandidaten und 965.006 kleine Einfügungen / Deletionen (Indels) unter den 20 resequenzierten Linien und 97103. Die Hauptunterschiede bestanden zwischen C. lanatus subsp. lanatus und die beiden anderen Unterarten, während die Variation innerhalb der kultivierten Wassermelone, insbesondere C. lanatus subsp. vulgaris America Ökotyp, war relativ niedrig (ergänzende Tabelle 12). Die Genauigkeiten unserer SNP- und Indel-Tests betrugen 99,3% bzw. 98%, wie durch Sanger-Sequenzierung angegeben (Ergänzende Anmerkung und ergänzende Tabelle 13). Dieser umfangreiche Datensatz zur Variation des Wassermelonengenoms, der ein breites Spektrum der genetischen Vielfalt von Wassermelonen abdeckt, stellt eine wertvolle Ressource für die biologische Entdeckung und Verbesserung des Keimplasmas dar.

Wir haben die genetische Vielfalt der Wassermelonenpopulation anhand von zwei gemeinsamen zusammenfassenden Statistiken, π- und θw-Werten, bewertet25. Die geschätzte Menge an Vielfalt in Wassermelonen (ergänzende Tabelle 14) war wesentlich geringer als in Mais26, Sojabohnen27 und Reis28. Wilde Wassermelone enthält eine größere genetische Vielfalt, was auf zusätzliche genetische Möglichkeiten zur Verbesserung der Wassermelone hinweist. Wir untersuchten auch die Populationsstruktur und die Beziehungen zwischen den Wassermelonenakzessionen durch den Bau eines Nachbarschaftsbaums (Abb. 3a) und Hauptkomponentenanalyse (PCA) (Fig. 3b). Beide Analysen zeigten die enge Verwandtschaft zwischen C. lanatus subsp. vulgaris und C. lanatus subsp. mucosospermus (ergänzende Anmerkung). Zusätzliche Analyse der Populationsstruktur mit dem FRAPPE-programm29 mit K (die Anzahl der Populationen) von 2 bis 5 identifizierte eine neue Untergruppe innerhalb der C. lanatus subsp. mucosospermus-Gruppe (wenn K = 5) und Beimischungen zwischen C. lanatus subsp. vulgaris und C. lanatus subsp. mucosospermus (Abb. 3c und ergänzende Anmerkung). Die neue Untergruppe zeigt einige Merkmale der kultivierten Wassermelone, wie weiche Fleischstruktur, rosa Fleischfarbe und relativ hohen Zuckergehalt (ergänzende Tabelle 10 und ergänzende Abb. 10). Zusammengenommen bieten diese Ergebnisse weitere Unterstützung für unser vorgeschlagenes Evolutionsszenario von C. lanatus subsp. mucosospermus bis C. lanatus subsp. vulgaris stammt aus der FISH-Analyse der chromosomalen rDNA-Verteilung.

( a) Nachbar-Beitritt phylogenetischen Baum der Wassermelone Beitritte auf der Grundlage von SNPs. (b) PCA-Analyse der EU-Beitritte unter Verwendung von SNPs als Marker. C. lanatus subsp. vulgaris Ostasien und Amerika Ökotypen und C. lanatus subsp. mucosospermus-Akzessionen häufen sich (Pfeil) und sind kaum zu unterscheiden. c) Bevölkerungsstruktur der Beitrittsländer. Jede Farbe stellt eine Population dar, jede Farbe wird durch einen vertikalen Balken dargestellt, und die Länge jedes farbigen Segments in jedem vertikalen Balken stellt den Anteil dar, den die angestammten Populationen beigetragen haben. Gezeigt werden repräsentative Wassermelonenbilder von jeder Unterart oder jedem Ökotyp.

Als nächstes scannten wir das Genom nach Regionen mit den höchsten Unterschieden der genetischen Vielfalt (nmucosospermus / nvulgaris) zwischen C. lanatus subsp. mucosospermus und C. lanatus subsp. vulgaris. Diese Regionen stellen potenzielle selektive Sweeps während der Domestizierung von Wassermelonen dar, da angenommen wird, dass moderne Wassermelonensorten von C. lanatus subsp. mucosospermus. Wir identifizierten insgesamt 108 Regionen (7,78 Mb groß) mit 741 Kandidatengenen (Abb. 4 und ergänzende Tabelle 15). Obwohl Genkomplementierungen in diesen Regionen durch genetisches Trampen beeinflusst worden sein könnten, identifizierten wir biologische Prozesse, die in Kandidatengenen signifikant angereichert waren und im Vergleich zum gesamten Genom mit wichtigen ausgewählten Merkmalen in Zusammenhang standen, einschließlich Regulation des Kohlenhydratgebrauchs, zuckervermittelte Signalgebung, Kohlenhydratstoffwechsel, Reaktion auf Saccharose-Stimulus, Regulation des Stickstoffstoffwechsels, zelluläre Reaktion auf Stickstoffmangel und Wachstum (Ergänzende Anmerkung und ergänzende Tabellen 16-18).

Rosa Balken unterhalb der x-Achse entsprechen Regionen mit 1% Signifikanzniveau der Diversitätsdifferenz (nmucosospermus / nvulgaris).

Es ist bemerkenswert, dass bestimmte nichtzentromere Regionen, insbesondere eine große Region auf Chromosom 3 (von ∼3,4 Mb bis ∼5,6 Mb), eine besonders hohe Nukleotiddivergenz nur bei C. lanatus subsp. mucosospermus-Akzessionen (Abb. 4). In einem früheren Bericht wurde ein ähnlicher Befund in drei verschiedenen Reiskreuzen beschrieben, und es wurde vorgeschlagen, dass diese populationsspezifischen Regionen mit hoher Divergenz in hohem Maße mit Genen assoziiert waren, die an Fortpflanzungsbarrieren beteiligt sind30. Wir analysierten Gene in der großen Region mit hoher Diversität auf Chromosom 3 und fanden tatsächlich heraus, dass die am deutlichsten angereicherten Genkategorien die Erkennung von Pollen und die Pollen-Stempel-Interaktion waren; Beide Genkategorien beziehen sich auf Fortpflanzungsbarrieren (Ergänzende Tabelle 19). Darüber hinaus stellten wir fest, dass die Region einen großen Cluster von 12 tandemartig angeordneten S-Locus-Proteinkinase-Genen enthielt, die an reproduktiven Barrieren beteiligt sind31. Die hohe Nukleotiddivergenz von Fortpflanzungsbarrieregen in C. lanatus subsp. mucosospermus, der jüngste Vorläufer der modernen kultivierten Wassermelone, weist darauf hin, dass die Domestizierung der Wassermelone eine mögliche Kraft sein könnte, die für die rasche Entwicklung von Fortpflanzungsbarrieren verantwortlich ist, wie in berichtet wurde30. Darüber hinaus waren Gene, die an pflanzlichen Reaktionen auf abiotische und biotische Belastungen beteiligt sind, in dieser Region ebenfalls signifikant angereichert, zusätzlich zu Genen, die mit mehreren bekannten ausgewählten Merkmalen wie Kohlenhydratstoffwechsel, Fruchtgeschmack (Terpenstoffwechsel) und Samenölgehalt (Fettsäurestoffwechsel) zusammenhängen (Ergänzende Tabelle 19).

Evolution von Krankheitsresistenzgenen in der Wassermelone

Die Wassermelonenernte erleidet große Verluste durch zahlreiche Krankheiten. Daher ist die Verbesserung der Pathogenresistenz ein fortlaufendes Ziel von Wassermelonenzüchtungsprogrammen. Um die molekularen Grundlagen für die Anfälligkeit von Krankheitserregern zu untersuchen, suchten wir nach drei Hauptklassen von Resistenzgenen im Wassermelonengenom, nämlich der Nukleotidbindungsstelle und dem leucinreichen Repeat (NBS-LRR), der Lipoxygenase (LOX)32 und den rezeptorähnlichen Genfamilien33. Wir identifizierten insgesamt 44 NBS-LRR-Gene, darunter 18 Toll-Interleukin-Rezeptor (TIR) -NBS–LRR- und 26 Coiled-Coil (CC) -NBS–LRR-kodierende Gene (Ergänzende Tabelle 20). Die beiden NBS-LRR-Gene entwickelten sich unabhängig voneinander, und wir konnten keinen Sequenzaustausch zwischen verschiedenen Homologen nachweisen. Solche Evolutionsmuster ähneln denen von Typ-II-R-Genen in Salat und Arabidopsis34, was darauf hindeutet, dass Wassermelone eine geringe Diversität an NBS-LRR-Genen aufweist. Die Anzahl der NBS-LRR-Gene im Wassermelonengenom ist ähnlich wie bei Gurken14 und Papaya35, aber deutlich geringer als bei Mais36, Reis37 und Apfel12. Im Gegensatz dazu hat die LOX-Genfamilie im Wassermelonengenom eine Erweiterung um 26 Mitglieder erfahren, von denen 19 in zwei Tandem-Genarrays angeordnet sind (Ergänzende Abb. 11). Ähnliche Ergebnisse wurden bei Gurken berichtet, wobei die Erweiterung der LOX-Genfamilie als möglicher komplementärer Mechanismus zur Bewältigung der Pathogeninvasion in Betracht gezogen wurde14. Wir identifizierten ferner 197 rezeptorähnliche Gene im Wassermelonengenom, von denen 35 für rezeptorähnliche Proteine ohne Kinasedomäne und 162 für rezeptorähnliche Kinasen mit intrazellulärer Kinasedomäne zusätzlich zu den extrazellulären LRR- und Transmembrandomänen kodieren (Ergänzende Tabelle 20). Viele dieser Resistenzgene befinden sich auf Chromosomen in Clustern (Ergänzende Abb. 11), die Tandem-Duplikationen als evolutionäre Grundlage vorschlagen.

Es wurde spekuliert, dass der Mangel an Resistenz gegen eine Vielzahl von Krankheiten in modernen Wassermelonensorten das Ergebnis der langjährigen Kultivierung und Selektion ist, die sich auf wünschenswerte Fruchtqualitäten auf Kosten der Krankheitsresistenz konzentriert8,38. Um diesen Begriff zu testen, führten wir De-novo-Assemblierungen von nicht zugeordneten Lesevorgängen durch, die jeweils aus modernen Daten (C. lanatus subsp. vulgaris) und halbwild und wild (C. lanatus subsp. mucosospermus und C. lanatus subsp. lanatus, beziehungsweise) Beitritte. Wir identifizierten 11 und 69 Gene aus der kultivierten bzw. der halbwilden und wilden Gruppe, die homolog zu bekannten Pflanzenproteinen sind (ergänzende Tabelle 21). Es ist hier erwähnenswert, dass die 69 neuen Gene, die aus der Semiwild- und Wildgruppe identifiziert wurden, stark mit krankheitsbezogenen Genen angereichert waren, einschließlich 6 TIR-LRR-NBS-Genen, 1 PR-1-Gen und 3 Lipoxygenase-Genen, während keines der 11 in der kultivierten Gruppe identifizierten Gene krankheitsbedingt waren. Darüber hinaus waren alle 44 im 97103-Genom identifizierten NBS-LRR-Gene auch in den Semiwild- und Wild-Akzessionen vorhanden (Ergänzende Anmerkung). Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass ein großer Teil der Krankheitsresistenzgene während der Domestizierung der Wassermelone verloren gegangen ist.

Analyse von Kürbisphloemsaft und vaskulären Transkriptomen

Das Angiospermen-Enukleat-Siebröhrensystem enthält mRNA, von der gezeigt wurde, dass sie teilweise als Fernsignalmittel fungiert39,40. Durch tiefe Transkriptomsequenzierung (ergänzende Tabelle 22) identifizierten wir 13.775 und 14.242 mRNA-Spezies in Wassermelonen- und Gurkengefäßbündeln bzw. 1.519 und 1.012 Transkripte im Wassermelonen- und Gurkenphloemsaft (ergänzende Tabellen 23-26). Bemerkenswerterweise fanden wir heraus, dass die Gensätze in den Gefäßbündeln zwischen den beiden Kürbisarten nahezu identisch waren, während nur 50-60% der im Phloemsaft nachgewiesenen Transkripte zwischen den beiden Arten gemeinsam waren (Ergänzende Anmerkung und ergänzende Tabelle 27). Die Analyse der Termanreicherung der Genontologie (GO) ergab, dass die Hauptkategorien unter den gängigen Phloem-Transkripten die Reaktion auf Stress oder Stimulus waren (ergänzende Tabelle 28), was voll und ganz mit der zentralen Rolle des pflanzlichen Gefäßsystems und insbesondere des Phloems im Fernkommunikationssystem übereinstimmt, das abiotische und biotische Stresssignale auf Ganzpflanzenebene integriert41. Im Gegensatz dazu identifizierte die Analyse der Phloem-Transkripte, die für Wassermelonen einzigartig sind, den makromolekularen Biosyntheseprozess und den Proteinstoffwechselprozess als die wichtigsten GO-Kategorien (ergänzende Tabelle 29). Die einzigartigen Phloemsafttranskripte können spezialisierte Funktionen widerspiegeln, die für die Rolle des Phloems bei diesen Arten einzigartig sind. Es ist bemerkenswert, dass das Wassermelonenphloem 118 Transkriptionsfaktoren enthielt, während wir nur 46 Transkriptionsfaktoren in Gurken und 32 Transkriptionsfaktoren identifizierten, die beiden gemeinsam waren (ergänzende Tabellen 30-32).

Kürbis (Cucurbita maxima) wurde als Modellsystem für Phloemstudien verwendet42,43. Wir entwickelten die Gefäßbündel- und Phloem-Sap-Transkriptkataloge durch Generierung und De-novo-Assemblierung der Illumina Paired-End-RNA-Sequenzierung (RNA-Seq) liest. Eine vergleichende Analyse der Transkriptome von Wassermelonen-, Gurken- und Kürbisphloem zeigte, dass etwa 36% ihrer Transkripte gemeinsam waren (Ergänzende Abb. 12). Diese konservierten Transkripte erfüllen wahrscheinlich Funktionen, die für den Betrieb des Siebrohrsystems bei den meisten Kürbisgewächsen und möglicherweise weiteren Arten von zentraler Bedeutung sind.

Regulierung der Entwicklung und Qualität von Wassermelonenfrüchten

Die Entwicklung von Wassermelonenfrüchten ist ein komplexer Prozess, der große Veränderungen in Größe, Farbe, Textur, Zuckergehalt und Nährstoffkomponenten mit sich bringt. Um eine umfassende Charakterisierung der Gene zu erhalten, die an der Entwicklung und Qualität von Wassermelonenfrüchten beteiligt sind, führten wir strangspezifische RNA-Seq44 von Fleisch und Rinde in vier entscheidenden Stadien der Fruchtentwicklung in der Inzuchtlinie 97103 durch (Ergänzende Tabelle 33). Wir identifizierten 3.046 und 558 Gene, die während der Fruchtentwicklung im Fleisch bzw. in der Rinde differentiell exprimiert wurden, und 5.352 Gene, die in mindestens einem der vier Stadien zwischen Fleisch und Rinde differentiell exprimiert wurden (Ergänzende Tabellen 34-36). Die Langzeitanreicherungsanalyse zeigte, dass während der Fruchtentwicklung sowohl im Fruchtfleisch als auch in der Rinde biologische Prozesse wie Zellwandbiogenese, Flavonoidstoffwechsel und Abwehrreaktionen signifikant verändert waren (False Discovery Rates (FDR) < 0,01), während Carotinoid-, Hexose- und Monosaccharidstoffwechselprozesse nur im Fleisch signifikant verändert waren, was große physiologische Unterschiede, einschließlich Zuckergehalt und Fruchtfarbe, zwischen Fleisch und Rinde unterstützt (ergänzende Tabelle 37).

Der Zuckergehalt ist ein Schlüsselfaktor für die Qualität von Wassermelonenfrüchten. Die Süße einer Wassermelone wird sowohl durch den Gesamtzuckergehalt als auch durch die Verhältnisse zwischen den wichtigsten angesammelten Zuckern bestimmt: Glucose, Fructose und Saccharose45. Im jungen Fruchtfleisch von 97103 sind Fructose und Glucose die vorherrschenden Zucker, während im reifen Fruchtfleisch von 97103 sowohl der Saccharose- als auch der Gesamtzuckergehalt deutlich erhöht sind, wobei Saccharose dann der dominierende Zucker wird; In der Rinde bleibt der Zuckergehalt relativ niedrig (ergänzende Tabelle 38). Die endgültige Zuckerakkumulation in Wassermelonenfrüchten wird durch Zuckerentladung aus dem Phloem bestimmt, gefolgt von Aufnahme und Metabolismus im Fruchtfleisch. Das annotierte Wassermelonengenom enthält insgesamt 62 Zuckerstoffwechselenzymgene und 76 Zuckertransportergene, von denen 13 Zuckerstoffwechselgene und 14 Zuckertransportergene während der Fleischentwicklung und zwischen Fleisch- und Rindengewebe differentiell exprimiert wurden (ergänzende Tabellen 39 und 40). Auf der Grundlage dieser Ergebnisse und früherer veröffentlichter Arbeiten aus anderen Pflanzenarten46,47 schlagen wir ein Modell für den Zuckerstoffwechsel in den Zellen von Wassermelonenfruchtfleisch vor (Ergänzende Abb. 13). Insbesondere während der Entwicklung von Wassermelonenfleisch fungieren α-Galactosidase, unlösliche Säureinvertase, neutrale Invertase, Saccharosephosphatsynthase, UDP-Glucose-4-Epimerase, lösliche Säureinvertase und UDP-Galactose / Glucosepyrophosphorylase als Schlüsselenzyme, die an der Regulierung der Zuckerproduktion und des Stoffwechsels beteiligt sind. Darüber hinaus sind die 14 differentiell exprimierten Zuckertransporter wahrscheinlich für die Zuckerpartitionierung verantwortlich (Ergänzende Anmerkung).

Transkriptionsfaktoren spielen auch eine Rolle bei der Zuckerakkumulation48. Von den 1.448 mutmaßlichen Transkriptionsfaktorgenen, die im Wassermelonengenom identifiziert wurden, zeigten 193 signifikante Expressionsänderungen (FDR < 0,01) während der Fleischentwicklung und auch im Fleisch im Vergleich zu Rinde in späteren Stadien, einschließlich Transkriptionsfaktoren aus Familien, von denen bekannt ist, dass sie an der Regulation der Zuckerakkumulation beteiligt sind (Ergänzende Anmerkung und ergänzende Tabellen 41 und 42). Bemerkenswert ist, dass ein bZIP-Gen, Cla014572, während der Fleischentwicklung herunterreguliert wird und das Saccharose-kontrollierte Upstream Open Reading Frame (SC-uORF) enthält (Ergänzende Anmerkung und ergänzende Abb. 14). Kürzlich wurde berichtet, dass transgene Pflanzen, die konstitutiv das Tabak-SC-uORF exprimieren, das das bZIP-Gen tbz17 enthält, aber dessen SC-uORF fehlt, eine erhöhte Zuckerkonzentration aufweisen49. Daher steht unsere Analyse im Einklang mit einer Rolle für Cla014572 als Schlüsselregulator der Zuckerakkumulation während der Fruchtentwicklung.

MADS-box Gene, wie MADS-RIN (auch bekannt als MADS-RIN)50 und TAGL1 (Ref. 51) in Tomaten, wurden berichtet, um die Frucht Expansion und Reifungsprozesse zu regulieren. Die phylogenetische Analyse von Wassermelonen-, Gurken- und Arabidopsis-MADS-Box-Transkriptionsfaktoren identifizierte zusammen mit MADS-RIN und AGL1 zwei MADS-Box-Transkriptionsfaktoren aus Wassermelonen in jeder der RIN- und AGL1-Kladen (Ergänzende Anmerkung und ergänzende Abb. 15). Diese vier Gene (Cla000691 und Cla010815 in der RIN-Klasse und Cla009725 und Cla019630 in der AGL1-Klasse) gehören zu den am stärksten exprimierten MADS-Box-Transkriptionsfaktoren während der Fruchtentwicklung (ergänzende Tabelle 43). Bemerkenswert ist, dass im Gegensatz zu MADS-RIN, das nur in reifenden Früchten stark exprimiert wird, sowohl Cla000691 als auch Cla010815 während der gesamten Fruchtentwicklung stark exprimiert werden, was darauf hindeutet, dass sie sich entwickelt haben könnten, um neben der Reifung auch an anderen Funktionen teilzunehmen. Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, dass enge Bananen- und Erdbeerhomologe von MADS-RIN auch Expression und/oder funktionelle Aktivitäten zeigen, die über die reifende Frucht hinausreichen52,53. Die Expressionsprofile von Cla009725 und Cla019630 während der Fruchtentwicklung ähneln denen von TAGL1, was mit ihrer potenziellen Rolle bei der Regulierung der Fruchtausdehnung und -reifung übereinstimmt51.

Citrullin ist eine nicht essentielle Aminosäure, die aus Glutamin hergestellt wird und verschiedene Vorteile für die Gesundheit und die sportliche Leistung hat. Sein Name leitet sich von Citrullus ab, dem lateinischen Wort für Wassermelone, aus dem er zuerst isoliert wurde54. Wassermelonenfleisch und -rinde dienen als natürliche Quelle für Citrullin, und ihre Häufigkeit nimmt während der Fruchtreifung erheblich zu, nimmt dann jedoch ab, wenn die Frucht überreif wird (Ergänzende Abb. 16). Auf der Grundlage unserer Annotation des Wassermelonengenoms identifizierten wir 14 Gene im Citrullin-Stoffwechselweg (Ergänzende Abb. 17). Im Vergleich zum Arabidopsis-Citrullin-Stoffwechselweg hat sich dieser Weg in der Wassermelone in den Familien Arginosuccinase und Arginosuccinatsynthase erweitert. Beide sind an der Umwandlung von Citrullin in L-Arginin beteiligt. Wir fanden, dass ein Arginosuccinase- und zwei Arginosuccinatsynthase-Gene während der Entwicklung des Wassermelonenfleisches stark herunterreguliert waren (ergänzende Tabelle 44). Daher ist die Citrullinakkumulation im reifenden Fruchtfleisch wahrscheinlich eine Folge verminderter Aktivitäten des Citrullinabbaus.