luonnos genomin vesimeloni (Citrullus lanatus) ja resequencing 20 eri accesions

genomin sekvensointi ja kokoonpano

valitsimme Kiinan eliitti vesimeloni inbred linja 97103 genomin sekvensointi. Tuotimme yhteensä 46,18 Gt korkealaatuista genomisekvenssiä käyttäen Illumina-sekvensointitekniikkaa (täydentävä Taulukko 1), joka edustaa 108: aa.6-kertainen kattavuus koko vesimeloni genomi, joka on arvioitu genomin koko ∼425 Mb perusteella meidän 17-mer syvyysjakauma analyysi sekvensoitu lukee (täydentävä Kuva. 1)ja aikaisempi virtaussytometria9. De novo assembly of Illumina readsista johti lopulliseen kokoonpanoon 353,5 Mb, joka edustaa 83,2% vesimelonin genomista. Kokoonpano koostuu 1 793 telineestä (≥500 bp), joiden N50 pituudet ovat 2,38 Mb ja 26,38 kb telineille ja kontigeille (täydentävä Taulukko 2). Yhteensä 234 rakennustelinettä, jotka kattavat noin 330 Mb (93.5% kootusta genomista) ankkuroitiin 11 vesimelonikromosomiin, joista 126 ja 94 telinettä, joiden osuus 70% ja 65% kootusta genomista oli järjestetty ja suunnattu, vastaavasti 10.

yritimme selvittää, miksi 16,8% genomista ei kuulunut genomikokoonpanomme piiriin, sovittamalla koottavat lukemat (17,4% kokonaismäärästä) koottuun genomiin väljemmillä kriteereillä (täydentävä huomautus ja täydentävä Taulukko 3). Havaitsimme, että yhdistämättömät genomialueet koostuvat pääasiassa sekvensseistä, jotka ovat samanlaisia kuin kootut alueet. Jakautuminen kokoamaton lukee vesimeloni kromosomit osoitti samaa mallia kuin transposable elementtejä (kuva. 1a ja täydentävä Kuva. 2). Tunnistimme kolme suurta toistoyksikköä yhdistämättömistä sekvensseistä niiden merkittävien lukusyvyyksien ja sekvenssien samankaltaisuuksien perusteella sentromeerien, telomeerien ja ribosomaalisen DNA: n (rDNA) klustereiden kanssa. Vahvistimme myös näiden toistojen luonteen kaloilla (Kuva. 1b-d). Yhdessä nämä tulokset tukevat käsitystä, että toistuvan osuuden aliarvioinnilla on tärkeä rooli de novo-genomikokoonpanojen kokoamattomassa komponentissa11, erityisesti seuraavan sukupolven sekvensointitekniikoilla tuotetuissa kokoonpanoissa.,12,13,14,15,16,17,18.

(a) Kokoamattomien lukujen jakautuminen kromosomissa 1. Kokoamattomien lukujen jakautuminen muihin kymmeneen kromosomiin on esitetty täydentävässä kuvassa 2. TEs, siirrettävät elementit. (b) vesimelonikromosomien kalat, jotka on värjätty 4′-6-diamidino-2-fenyyli-indolilla (Dapi, sininen) käyttäen sentromeerin (vaaleanpunainen) kaltaisten toistoyksiköiden koettimia. c) kalat, jotka käyttävät telomeerin kaltaisten toistoyksiköiden koettimia (punainen). d) kalat, jotka käyttävät rdnas: n kaltaisten toistoyksiköiden koettimia (vihreä, 45s; vaaleanpunainen, 5S). Asteikkotangot, 5 µm.

arvioimme edelleen kootun vesimelonin genomin laatua käyttäen noin miljoonaa Ess: ää, neljää täysin sekvensoitua BACs: ia ja 667 BAC-kloonia. Analyysimme tukivat vesimelonin genomikokoonpanon korkeaa laatua (lisähuomautus, Lisätaulukot 4-6 ja täydentävät viikunat. 3 ja 4), joka on suotuisasti verrattavissa useisiin muihin äskettäin julkaistuihin kasvien genomeihin11,12,13,14,15,16,17,18 seuraavan sukupolven sekvensointitekniikoiden käyttö (Taulukko 1).

Toistosekvenssihuomautukset ja geenien ennustaminen

Transposoitavat elementit ovat eukaryoottisten genomien pääkomponentteja. Tunnistimme yhteensä 159.8 Mb (45.2%) koottu vesimeloni genomi transposable Elementti toistaa. Näistä toistoista 68,3% voitiin merkitä tunnetuilla toistoperheillä. Long terminal repeat (LTR)-retrotransposonit, pääasiassa Mustalaistyyppiset ja Copia-tyyppiset ltr: t, ovat vallitsevia. Jakauma transposable Elementti eroavaisuudet osoitti huippu 32% (täydentävä Kuva. 5). Lisäksi tunnistimme 920 (7,8 Mb) täyspitkää LTR retrotransposonia vesimelonin genomista. Havaitsimme, että viimeisten 4,5 miljoonan vuoden aikana LTR retrotransposonit kerääntyivät paljon nopeammin vesimeloniin kuin kurkkuun14 (täydentävä viikuna. 6) siten, että yleinen ero niiden genomin koot voivat heijastaa differentiaali ltr retrotransposon kertymistä.

ennustimme vesimelonin genomiin 23 440 korkean luottamuksen proteiinia koodaavaa geeniä (täydentävä Taulukko 7), Mikä on lähellä kurkun genomiin ennustettua geenien lukumäärää19. Noin 85% vesimelonin ennustetuista geeneistä oli joko tunnettuja homologeja tai ne voitiin luokitella toiminnallisesti (täydentävä taulukko 8). Lisäksi tunnistimme 123 ribosomaalista RNA: ta (rRNA), 789 siirtäjä-RNA: ta, 335 pientä ydin-RNA: ta ja 141 mikroRNA-geeniä (täydentävä Taulukko 9).

aiemmin raportoitujen kasvigenomien mukaisesti vesimelonin proteiinia koodaavissa geeneissä havaittiin selvä virikekuvio subtelomeerisilla alueilla. Sen sijaan perimän transposoituva alkuainesidonnainen fraktio sijaitsi lähinnä perikentromeerisella ja sentromeerisella alueella. Kromosomien 4, 8 ja 11 lyhyet haarat ovat erittäin rikastettuja toistuvilla sekvensseillä (täydentävä Kuva. 7). 97103: n genomi sisälsi yhden 5S: n ja kaksi 45s rDNA: n klusteria kromosomien 4 ja 8 lyhyessä varressa (ref. 10). Kalan avulla tutkimme edelleen rDNA-kuvioita 20 edustavan vesimelonin genomeissa (täydentävä taulukko 10). Määrä ja sijainti 5S ja 45S rDNA sivustoja genomit kymmenen modernin viljelty (C. lanatus subsp. vulgaris) ja kuusi puolivillaa vesimelonia (C. lanatus subsp. mucosospermus) olivat identtisiä 97103: n perimän kanssa, kun taas neljän kaukaisempaa sukua olevan luonnonvaraisen vesimelonin (C. lanatus subsp. lanatus) sisälsi yhden 45s: n ja kaksi 5S rDNA: n aluetta, ja lisäksi 5S rDNA: n paikan kromosomin 11 lyhyellä käsivarrella (täydentävä Kuva. 8). Nämä tulokset viittaavat siihen, että kromosomien fuusio, fissio ja rDNA: n Siirtymä saattaa tapahtua C. lanatus-lajin evoluution aikana. Analyysimme vahvisti myös näiden kolmen vesimelonin alalajin fylogeneettisen suhteen20 ja tuki hypoteesia, että C. lanatus subsp. mucosospermus on C. lanatus subsp: n tuore esi-isä. vulgaris.

cucurbitin genomin evoluutio

genomin laajuinen kahdentuminen koppisiemenisissä on yleistä ja edustaa tärkeää molekyylimekanismia, joka on muovannut nykyaikaisia kasvien karyotyyppejä. Vesimelonin genomissa tunnistimme seitsemän suurta triplikaatiota, jotka vastasivat 302 halvaannuttavaa suhdetta, jotka kattavat 29% genomista (Kuva. 2 a). Nämä esi-isien kolmoisuudet vastasivat eudicots21: lle raportoitua yhteistä paleoheksaploidisaatiotapahtumaa (johon viitataan γ: lla), joka ajoittuu 76-130 miljoonan vuoden taakse. Tämä olisi hyvissä ajoin ennen 15-23 miljoonaa vuotta sitten tapahtunutta cucurbitin genomin lajiutumistapahtumaa (Supplementary Fig. 9).

(a) Kaavamainen esitys paralogous paria tunnistettu sisällä vesimeloni genomi (kromosomit w1–w11). Jokainen rivi edustaa synteenistä aluetta. Eri värit heijastavat alkuperää seitsemästä esivanhemmasta eudikot-kromosomin karyotyypistä (A1, A4, A7, A10, A13, A16 ja A19). (b) Kaavamainen esitys synteeneistä vesimelonin (kromosomit 1-11), kurkun (kromosomit 1-7) ja melonin genomien (linkkiryhmät (LG) 1-12) keskuudessa. Jokainen rivi edustaa synteenistä aluetta. Kahta kolmesta lajista yhdistää vaaleanharmaa juova. (C) vesimelonin genomin (W1–w11 alareunassa) evoluutio yhteisestä eudicot genomin esivanhemmat seitsemän kromosomia (A1, A4, A7, A10, A13, A16 ja A19) ja johdettu paleoheksaploidi n = 21 (A1–A21) esivanhempien väli. Värilliset lohkot edustavat 7 – tai 21-kromosomin esi-isien segmenttien evoluutiota modernin vesimelonin genomirakenteen saavuttamiseksi. Kromosomin 172 sulautumista ja fissiota on korostettu värillisillä nuolilla. TE, transposable element; WGD, whole-genome duplication.

päästäksemme nykyaikaisten cucurbit genomirakenteisiin johtavien evolutiivisten tapahtumien luonteeseen analysoimme vesimelonin, kurkku19: n, melon22: n ja grape21: n välisiä synteenisiä suhteita. Valitsimme vertailukohdaksi rypäleen,koska sen tiedetään olevan lähin sukulainen seitsemään protokromosomiin jäsennellylle eudikot-esi-isälle23. Tunnistimme yhteensä 3 543 ortologista suhdetta, jotka kattavat 60% vesimelonin genomista. Sitten tutkimme yksityiskohtaisia kromosomien välisiä suhteita Cucurbitaceae-heimossa ja tunnistimme ortologiset kromosomit vesimelonin, kurkun ja melonin välillä (Kuva. 2b). Monimutkaiset synteeniset kuviot, joita on kuvattu mosaiikkikromosomi-kromosomi-ortologisina suhteina, paljastivat näiden kolmen Cucurbitaceae-heimon tärkeän kasvilajin kromosomikehityksen ja uudelleenjärjestelyn suuren monimutkaisuuden.

neljän eudikot-genomin (vesimeloni, kurkku, meloni ja rypäle) sisällä ja niiden välillä esiintyviä päällekkäisyyksiä koskevien riippumattomien analyysien integrointi johti siihen, että vesimelonissa määriteltiin täsmällisesti seitsemän paleotriplomatiaa, jotka äskettäin määriteltiin seitsemän esivanhempien kromosomiryhmän määritelmän24 perusteella. Eudikotien esivanhempien heksaploidisaation (γ) perusteella ehdotamme evoluutioskenaariota, joka on muovannut 11 vesimelonikromosomia 7-kromosomin eudikot-esivanhemmista 21 paleoheksaploidisen välituotteen kautta. Ehdotamme, että siirtyminen 21-kromosomi eudicot väli esivanhemmat mukana 81 fissioita ja 91 fusions päästä moderni 11-kromosomi rakenne vesimeloni, joka on edustettuna mosaiikki 102 esivanhempien lohkojen (kuva. 2c).

vesimelonigermplasmin geneettisen monimuotoisuuden arviointi

valitsimme 20 edustavaa vesimelonikarsinaa genomin uudelleenmittausta varten. Näihin kuului kymmenen viljeltyä liittymää, jotka edustivat C. lanatus subsp-lajin päälajeja. vulgaris (viisi Itä-Aasian ja viisi Amerikan ekotyyppiä), kuusi semiwild C. lanatus subsp. mucosospermus ja neljä luonnonvaraista C. lanatus subsp. lanatus (Supplementary Table 10 and Supplementary Fig. 10). Sekvensoimme nämä liittymiset välillä 5× ja 16× kattavuus ja kartoitimme lyhyen lukee genomin 97103 (täydentävä taulukko 11). Tunnistimme yhteensä 6,784,860 ehdokas SNP ja 965,006 pieniä lisäyksiä / poistoja (indels) joukossa 20 resequenced riviä ja 97103. Suurimmat vaihtelut olivat C. lanatus subsp: n välillä. lanatus ja kaksi muuta alalajia, kun taas vaihtelu sisällä viljelty vesimeloni, erityisesti C. lanatus subsp. vulgaris America-ekotyyppi oli suhteellisen alhainen (täydentävä taulukko 12). SNP: n ja indel Callingin tarkkuudet olivat vastaavasti 99,3% ja 98%, kuten Sanger-sekvensointi (täydentävä huomautus ja täydentävä taulukko 13) osoittaa. Tämä laaja vesimelonin genomimuunnosaineisto, joka kattaa laajan kirjon vesimelonin geneettistä monimuotoisuutta, on arvokas resurssi biologiselle löydölle ja germplasmin parantamiselle.

arvioimme vesimelonipopulaation geneettistä monimuotoisuutta käyttäen kahta yhteistä yhteenvetotilastoa, π-ja θw-arvoja25. Arvioitu monimuotoisuuden määrä vesimelonissa (täydentävä taulukko 14) oli huomattavasti pienempi kuin maize26: ssa, soija 27: ssä ja rice28: ssa. Villi vesimeloni sisältää enemmän geneettistä monimuotoisuutta, mikä osoittaa lisää geneettisiä mahdollisuuksia vesimelonin parantamiseen. Selvitimme myös vesimeloniliittymien väestörakennetta ja suhteita rakentamalla naapuriliittymäpuun (Kuva. 3a) ja pääkomponenttianalyysi (PCA) (Kuva. 3b). Molemmat analyysit osoittivat C. lanatus subsp: n läheisen suhteen. vulgaris ja C. lanatus subsp. mucosospermus (lisähuomautus). Populaatiorakenteen lisäanalyysi käyttäen frappe-ohjelmaa29, jossa K (populaatioiden lukumäärä) on asetettu 2: sta 5: een, yksilöi uuden alaryhmän C. lanatus subsp: n sisällä. mukosospermus-ryhmä (kun K = 5) ja C. lanatus subsp: n väliset sekoitukset. vulgaris ja C. lanatus subsp. mukosospermus (Kuva. 3c ja lisähuomautus). Uudessa alaryhmässä on joitakin viljellyn vesimelonin ominaisuuksia, kuten pehmeä lihan rakenne, vaaleanpunainen lihan väri ja suhteellisen korkea sokeripitoisuus (täydentävä taulukko 10 ja täydentävä viikuna. 10). Yhdessä nämä tulokset tarjoavat lisätukea ehdotetulle C. lanatus subsp: n evoluutioskenaariolle. mucosospermus C. lanatus subsp: lle. vulgaris on johdettu kromosomaalisen rDNA-jakauman KALATUTKIMUKSESTA.

(a) naapuri-liittyminen fylogeneettinen puu vesimeloni liittymiset perusteella SNPs. (b) PCA-analyysi vesimelonin liittymistä käyttäen SNPs markkereina. C. lanatus subsp. vulgaris Itä-Aasian ja Amerikan ekotyypit ja C. lanatus subsp. mucosospermus accessions cluster together (nuoli) ja ovat lähes mahdoton erottaa. C) vesimelonien liittymisten Väestörakenne. Jokainen väri edustaa yhtä populaatiota, jokainen liittyminen on edustettuna pystysuoralla palkilla,ja kunkin värillisen segmentin pituus kussakin pystysuorassa palkissa edustaa esi-isien populaatioiden osuutta. Kuvassa on edustavia vesimelonikuvia jokaisesta alalajista tai ekotyypistä.

seuraavaksi skannasimme genomin alueilla, joilla on suurimmat erot geneettisen monimuotoisuuden (nmucosospermus/nvulgaris) välillä C. lanatus subsp. mucosospermus ja C. lanatus subsp. vulgaris. Nämä alueet edustavat mahdollisia valikoivia pyyhkäisyjä vesimelonin kesyttämisen aikana, sillä nykyaikaisten vesimelonilajikkeiden arvellaan kesyyntyneen C. lanatus subsp: stä. mucosospermus. Tunnistimme yhteensä 108 aluetta (kooltaan 7,78 Mb), joissa on 741 kandidaattigeeniä (Kuva. 4 ja täydentävä taulukko 15). Vaikka geenien täydennyksiin näillä alueilla olisi voinut vaikuttaa geneettinen liftaus, tunnistimme biologisia prosesseja, jotka ovat merkittävästi rikastuneet kandidaattigeeneissä, jotka liittyivät tärkeisiin valikoituihin piirteisiin verrattuna koko genomiin, mukaan lukien hiilihydraattien käytön säätely, sokerivälitteinen signalointi, hiilihydraattien aineenvaihdunta, sakkaroosiärsyke, typpiyhdisteiden aineenvaihdunnan säätely, solujen vaste typen nälkiintymiseen ja kasvuun (lisähuomautus ja Lisätaulukot 16-18).

X-akselin alapuolella olevat vaaleanpunaiset palkit vastaavat alueita, joilla on 1% merkitsevyystaso monimuotoisuuserossa (nmucosospermus/nvulgaris).

on huomionarvoista, että tietyillä ei-sentromeerisilla alueilla, erityisesti suurella alueella kromosomissa 3 (∼3.4 Mb – ∼5.6 Mb), on erityisen suuri nukleotidierotus vain C. lanatus subsp: n keskuudessa. mucosospermus accessions (Kuva. 4). Aiemmassa raportissa kuvailtiin samanlaista löydöstä kolmessa eri riisiristeytyksessä, ja esitettiin, että nämä populaatiosidonnaiset suurien eroavuuksien alueet olivat hyvin yhteydessä lisääntymistavoissa esiintyviin geeneihin30. Analysoimme suuren monimuotoisen alueen geenejä kromosomi 3: ssa ja totesimmekin, että merkittävimmin rikastuneet geenikategoriat olivat siitepölyn tunnistus ja siitepölyn ja poikasten vuorovaikutus; molemmat geenikategoriat liittyvät lisääntymisesteisiin (täydentävä taulukko 19). Lisäksi selvitimme, että alueella oli suuri Rykelmä 12 tandemly-arraidoitua s-lokuksen proteiinikinaasigeeniä, jotka osallistuvat lisääntymiskyvyttömyyteen 31. C. lanatus subsp: n lisääntymisesteen geenien suuri nukleotidierotus. mucosospermus, nykyaikaisen viljellyn vesimelonin tuore kantaisä, osoittaa, että vesimelonin kesyttäminen voisi olla mahdollinen voima, joka on vastuussa lisääntymisesteiden nopeasta kehittymisestä, kuten rice30-lehdessä on raportoitu. Lisäksi geenit, jotka osallistuvat kasvien reagointiin abioottisiin ja bioottisiin rasituksiin, rikastuivat merkittävästi tällä alueella niiden geenien lisäksi, jotka liittyvät useisiin tunnettuihin valikoituihin ominaisuuksiin, kuten hiilihydraattiaineenvaihduntaan, hedelmämakuun (terpeeniaineenvaihduntaan) ja siemenöljypitoisuuteen (rasvahappoaineenvaihduntaan) (täydentävä taulukko 19).

tautiresistenssigeenien kehitys vesimelonissa

vesimelonisato kärsii suuria menetyksiä lukuisista sairauksista. Siksi taudinaiheuttajan resistenssin parantaminen on vesimelonin jalostusohjelmien jatkuva tavoite. Selvittääksemme taudinaiheuttajaherkkyyden molekyyliperustetta etsimme vesimelonin genomista kolme pääryhmää resistenssigeenejä, nimittäin nukleotidisitoutumiskohdan ja leusiinipitoisen toistumisen (NBS-LRR), lipoksigenaasin (LOX)32 ja reseptorityyppisen geeniperimän33. Tunnistimme yhteensä 44 NBS-LRR-geeniä, mukaan lukien 18 Toll– interleukiinireseptoria (TIR)-NBS-LRR-ja 26 coiled–coil (CC) – NBS-LRR-koodaavaa geeniä (täydentävä taulukko 20). Vesimelonin NBS-LRR-geenit kehittyivät itsenäisesti, emmekä havainneet sekvenssivaihtoja eri homologien välillä. Tällaiset evolutiiviset mallit ovat samanlaisia kuin tyypin II R geenit salaatissa ja Arabidopsis34: ssä, mikä osoittaa, että vesimelonissa on alhainen NBS-LRR-geenien monimuotoisuus. NBS-LRR-geenien määrä vesimelonin genomissa on sama kuin kurkku14: llä ja papaya35: llä, mutta huomattavasti pienempi kuin maize36: lla, rice37: llä ja apple12: lla. LOX-geeniperhe on sen sijaan laajentunut vesimelonin genomissa 26 jäsenellä, joista 19 on järjestetty kahteen tandem-geeniryhmään (Supplementary Fig. 11). Samanlaisia löydöksiä on raportoitu kurkusta, ja LOX-geeniperheen laajenemista on pidetty mahdollisena täydentävänä mekanismina selviytyä taudinaiheuttajien invaasiosta14. Tunnistimme edelleen 197 reseptorin kaltaista geeniä vesimelonin genomissa, joista 35 koodaa reseptorin kaltaisia proteiineja, joilla ei ole kinaasi-domeenia ja 162 koodaa reseptorin kaltaisia kinaaseja, joilla on solunsisäinen kinaasi-domeeni solunulkoisen LRR-ja transmembraanidomeenin lisäksi (täydentävä taulukko 20). Monet näistä resistenssigeeneistä sijaitsevat kromosomeissa ryppäissä (Supplementary Fig. 11), ehdottaen tandem kahdentumista niiden evolutiiviseksi perustaksi.

on arveltu, että monien erilaisten tautien vastustuskyvyn puute nykyaikaisissa vesimelonilajikkeissa johtuu monien vuosien viljelystä ja valinnasta,joissa on keskitytty toivottaviin hedelmälaatuihin taudinkestävyyden kustannuksella 8, 38. Testataksemme tätä käsitystä, teimme de novo kokoonpanot hyödyntämättä lukee yhdistettiin kunkin modernin viljelty (C. lanatus subsp. vulgaris) ja puolivilli ja luonnonvarainen (C. lanatus subsp. mucosospermus ja C. lanatus subsp. lanatus) liittymiset. Tunnistimme viljellystä ryhmästä 11 ja luonnonvaraisesta ryhmästä 69 geeniä, jotka ovat homologisia tunnettujen kasviproteiinien kanssa (täydentävä taulukko 21). Tässä yhteydessä on syytä mainita, että 69 uutta geeniä, jotka on tunnistettu semiwild-ja wild-ryhmästä, olivat erittäin rikastuneita tauteihin liittyvillä geeneillä, mukaan lukien 6 TIR-LRR-NBS-geeniä, 1 PR-1-geeni ja 3 lipoksigenaasigeeniä, kun taas yksikään viljellyssä ryhmässä tunnistetuista 11 geenistä ei liittynyt tauteihin. Lisäksi kaikki 97103-genomissa tunnistetut 44 NBS-LRR-geeniä olivat myös puoli-ja villisukupolvessa (lisähuomautus). Nämä havainnot tukevat hypoteesia, jonka mukaan suuri osa taudinkestävyysgeeneistä on hävinnyt vesimelonin kesytyksen aikana.

analyysi cucurbit phloem sap: sta ja verisuonitranskriptomeista

angiospermin enukleaattiseulaputkijärjestelmä sisältää mRNA: ta,josta osan on osoitettu toimivan pitkän matkan signalointiagenttina39, 40. Syvän transkriptome-sekvensoinnin (täydentävä taulukko 22) avulla tunnistimme 13,775 ja 14,242 mRNA-lajia vesimelonin ja kurkun verisuonikimpuissa vastaavasti ja 1,519 ja 1,012 transkriptiä vesimelonin ja kurkun phloem sap: ssa vastaavasti (täydentävät taulukot 23-26). Huomasimme erityisesti, että kahden cucurbit-lajin välisten verisuonten nipuissa olevat geenit olivat lähes identtisiä, kun taas vain 50-60% phloem sap: ssa havaituista transkripteista oli yhteisiä näiden kahden lajin välillä (lisähuomautus ja täydentävä taulukko 27). Gene Ontology (GO) termi rikastusanalyysi osoitti, että tärkeimmät kategoriat yhteisten phloem transkriptien joukossa olivat vaste stressiin tai ärsykkeeseen (täydentävä taulukko 28), joka on täysin yhdenmukainen kasvien verisuonijärjestelmän ja erityisesti phloem: n keskeisen roolin kanssa pitkän matkan viestintäjärjestelmässä, joka yhdistää abioottisen ja bioottisen stressisignaalin koko kasvin tasolla41. Sen sijaan vesimelonille ominaisten phloem-transkriptien analyysi tunnisti makromolekyylisen biosynteesiprosessin ja proteiinin metabolisen prosessin tärkeimmiksi GO-kategorioiksi (täydentävä taulukko 29). Ainutlaatuinen phloem sap transkriptit voivat heijastaa erikoistuneita toimintoja, jotka ovat ainutlaatuisia rooli phloem näissä lajeissa. On huomionarvoista, että vesimeloni phloem sisälsi 118 transkriptiotekijää, kun taas me tunnistimme vain 46 transkriptiotekijää kurkusta ja 32 transkriptiotekijää, jotka olivat yhteisiä molemmille (täydentävät taulukot 30-32).

kurpitsaa (Cucurbita maxima) on käytetty phloem-tutkimusten mallijärjestelmän42, 43. Kehitimme pumpkin vascular bundle ja phloem sap transkriptio luetteloita sukupolven ja de novo kokoonpano Illumina pariksi-end RNA sekvensointi (RNA-Seq) lukee. Vesimelonin, kurkun ja kurpitsan phloem-transkriptomien vertaileva analyysi osoitti, että noin 36% niiden transkriptioista oli yhteisiä (täydentävä Kuva. 12). Näillä säilötyillä transkripteillä on todennäköisesti toimintoja, jotka ovat keskeisessä asemassa seulaputkijärjestelmän toiminnassa useimmilla cucurbit-suvun lajeilla ja mahdollisesti muilla lajeilla.

vesimelonin hedelmien kehityksen ja laadun säätely

vesimelonin hedelmien kehittyminen on monimutkainen prosessi, johon liittyy suuria muutoksia koossa, värissä, rakenteessa, sokeripitoisuudessa ja ravitsemuksellisissa komponenteissa. Saadaksemme kattavan luonnehdinnan vesimelonin hedelmien kehitykseen ja laatuun osallistuvista geeneistä suoritimme sekä lihan että kuoren lohkokohtaisen RNA-Seq44: n neljässä hedelmien kehityksen ratkaisevassa vaiheessa sisäsiitoslinjalla 97103 (täydentävä taulukko 33). Tunnistimme 3046 ja 558 geeniä, jotka erosivat hedelmänkehityksen aikana lihassa ja kuoressa, ja 5352 geeniä, jotka erosivat lihan ja kuoren välillä ainakin yhdessä neljästä vaiheesta (Lisätaulukot 34-36). GO – termin rikastusanalyysi osoitti, että hedelmien kehityksen aikana sekä lihassa että kuoressa biologiset prosessit, kuten soluseinän biogeneesi, flavonoidien aineenvaihdunta ja puolustusvasteet, muuttuivat merkittävästi (false discovery rates (FDR) < 0,01), kun taas karotenoidi -, heksoosi-ja monosakkaridimetaboliat muuttuivat merkittävästi vain lihassa, mikä tuki suuria fysiologisia eroja, mukaan lukien sokeripitoisuus ja hedelmien väri, lihan ja kuoren välillä (täydentävä taulukko 37).

sokeripitoisuus on keskeinen tekijä vesimelonin hedelmien laadun määrittämisessä. Vesimelonin makeus määräytyy sekä kokonaissokeripitoisuuden että tärkeimpien kertyneiden sokerien, glukoosin, fruktoosin ja sukrose45: n, välisten suhteiden perusteella. Nuoressa hedelmälihassa 97103 hedelmäliha, fruktoosi ja glukoosi ovat vallitsevia sokereita, kun taas kypsässä hedelmälihassa 97103 sekä sakkaroosi että kokonaissokeripitoisuus kasvavat huomattavasti, jolloin sakkaroosista tulee hallitseva sokeri; kuoressa sokeripitoisuus pysyy suhteellisen alhaisena (täydentävä taulukko 38). Sokerin lopullinen kertyminen vesimelonin hedelmiin määritetään siten, että sokeri poistetaan floeemista ja sen jälkeen otetaan hedelmälihaan sisään ja metaboloidaan. Vesimelonin genomi sisältää yhteensä 62 sokeriaineenvaihdunnan entsyymigeeniä ja 76 sokerinkuljettajageeniä, joista 13 sokeriaineenvaihdunnan geeniä ja 14 sokerinkuljettajageeniä on ilmoitettu eri tavoin lihan kehityksen aikana sekä lihan ja kuoren kudosten välillä (Lisätaulukot 39 ja 40). Näiden tulosten ja muiden kasvilajien aikaisempien julkaistujen46,47 perusteella ehdotamme mallia sokeriaineenvaihdunnalle vesimelonin hedelmälihan soluissa (täydentävä viikuna. 13). Erityisesti vesimelonin lihan kehityksen aikana α-galaktosidaasi, liukenematon happoinvertaasi, neutraali invertaasi, sakkaroosifosfaattisyntaasi, UDP-glukoosi-4-epimeraasi, liukoinen happoinvertaasi ja UDP-galaktoosi/glukoosipyrofosforylaasi toimivat keskeisinä entsyymeinä, jotka osallistuvat sokerin purkamisen ja aineenvaihdunnan säätelyyn. Lisäksi 14 eri tavoin ilmaistua sokerinkuljettajaa ovat todennäköisesti vastuussa sokerin jakamisesta (lisähuomautus).

Transkriptiotekijöillä on myös merkitystä sokerin kertymässä48. Vesimelonin genomissa tunnistetuista 1448 oletetusta transkriptiotekijägeenistä 193: ssa ilmeni merkittäviä ilmentymämuutoksia (FDR < 0, 01) lihan kehityksen aikana ja myös lihassa verrattuna kuoreen myöhemmissä vaiheissa, mukaan lukien transkriptiotekijät suvuista, joiden tiedetään osallistuvan sokerin kertymisen säätelyyn (lisähuomautus ja Lisätaulukot 41 ja 42). On huomionarvoista, että yksi bzip-geeni, Cla014572, on downregulated lihakehityksen aikana ja sisältää sakkaroosin säätelemän vastavirtaan avoimen lukukehyksen (SC-uof) (täydentävä huomautus ja täydentävä Kuva. 14). Äskettäin raportoitiin, että transgeeniset kasvit, jotka ilmentävät konstitutiivisesti tupakan SC-uof-geeniä, joka sisältää bZIP-geenin tbz17, mutta josta puuttuu sen SC-uof, olivat lisänneet sokeripitoisuuksi49. Siksi analyysimme on yhdenmukainen Cla014572: n roolin kanssa sokerin kertymisen keskeisenä säätelijänä hedelmien kehityksen aikana.

MADS-box-geenit, kuten MADS-RIN (tunnetaan myös nimellä LeMADS-RIN)50 ja TAGL1 (ref. 51) tomaatti, on raportoitu säännellä hedelmien laajentamista ja kypsymistä prosesseja. Vesimelonin, kurkun ja Arabidopsis MADS-box-transkriptiotekijöiden fylogeneettinen analyysi yhdessä MADS-Rinin ja TAGL1: n kanssa tunnisti kaksi Mads-box-transkriptiotekijää vesimelonista kussakin rin-ja AGL1-kladissa (täydentävä huomautus ja täydentävä Kuva. 15). Nämä neljä geeniä (CLA000691 ja Cla010815 RIN-kladissa ja Cla009725 ja Cla019630 agl1-kladissa) ovat voimakkaimmin ilmaistuja MADS-box-transkriptiotekijöitä hedelmien kehityksen aikana (täydentävä taulukko 43). Toisin kuin MADS-RIN, joka ilmaistaan voimakkaasti vain kypsyvissä hedelmissä, sekä Cla000691 että Cla010815 ilmaistaan voimakkaasti koko hedelmien kehityksen ajan, mikä osoittaa, että ne ovat voineet kehittyä osallistumaan muihin toimintoihin kypsymisen lisäksi. Tässä suhteessa on huomionarvoista,että Mads-Rinin läheiset banaani-ja mansikkahomologit osoittavat myös ilmaisua ja/tai toiminnallisia toimintoja, jotka ulottuvat kypsymisen jälkeen52, 53. Cla009725: n ja Cla019630: n ilmaisuprofiilit hedelmien kehityksen aikana ovat samanlaisia kuin TAGL1: n, mikä vastaa niiden potentiaalista roolia hedelmien laajenemisen ja kypsymisen sääntelyssä51.

sitrulliini on glutamiinista valmistettu ei-välttämätön aminohappo, jolla on useita etuja terveydelle ja urheilusuoritukselle. Sen nimi on johdettu latinan vesimelonia tarkoittavasta sanasta Citrullus, josta se eristettiin ensimmäisen kerran 54. Vesimelonin liha ja kuori toimivat luonnollisena sitrulliinin lähteenä, ja sen runsaus kasvaa huomattavasti hedelmien kypsymisen aikana, mutta vähenee sitten hedelmän ylikypsyyden myötä (täydentävä viikuna. 16). Vesimelonin genomin merkintöjen perusteella tunnistimme 14 geeniä sitrulliinin metaboliareitin (täydentävä Kuva. 17). Verrattuna Arabidopsis-sitrulliinin metaboliareittiin, tämä reitti vesimelonissa on laajentunut arginosukkinaasi-ja arginosukkinaattisyntaasiperheissä. Molemmat ovat mukana muuntamassa sitrulliinia L-arginiiniksi. Löysimme arginosukkinaasin ja kaksi arginosukkinaattisyntaasigeeniä, joiden säätely oli voimakasta vesimelonin lihan kehityksen aikana (täydentävä taulukko 44). Näin ollen sitrulliinin kertyminen kypsyvään hedelmälihaan on todennäköisesti seurausta sitrulliinin hajoamisen vähentyneestä toiminnasta.