a görögdinnye genomjának újraszekvenálása (Citrullus lanatus) és 20 különböző csatlakozás újraszekvenálása

genomszekvenálás és összeszerelés

a Genomszekvenáláshoz a kínai elit görögdinnye beltenyésztett vonalát, a 97103-at választottuk. Összesen 46,18 Gb kiváló minőségű genomi szekvenciát állítottunk elő Illumina szekvenálási technológiával (1.Kiegészítő táblázat), amely 108-at képvisel.A teljes görögdinnye Genom 6-szoros lefedettsége, amelynek becsült genommérete kb 425 Mb a szekvenált olvasmányok 17 mer mélységeloszlási elemzése alapján (kiegészítő ábra. 1) és egy korábbi áramlási citometriai elemzés9. Az Illumina reads de novo összeállítása 353,5 Mb végső összeszerelést eredményezett, amely a görögdinnye genomjának 83,2% – át képviseli. A szerelvény 1793 állványból áll (500 BP), amelyek N50 hossza 2,38 Mb, illetve 26,38 kb az állványok, illetve a csatlakozók számára (2.Kiegészítő táblázat). Összesen 234 állvány, amely körülbelül 330 Mb (93.Az összeszerelt Genom 5% – át) a 11 görögdinnye kromoszómához rögzítették, amelyek közül 126 és 94 állványzat, amelyek az összeszerelt Genom 70% – át és 65% – át tették ki, rendezett és orientált10.

arra törekedtünk, hogy megállapítsuk, hogy a genom 16,8% – át miért nem fedi le a genom összeállításunk azáltal, hogy kevésbé szigorú kritériumokkal igazítottuk az összeszerelt genomot (az összes olvasás 17,4% – a) (kiegészítő megjegyzés és 3.Kiegészítő táblázat). Megállapítottuk, hogy a nem összeszerelt genomrégiók elsősorban olyan szekvenciákból állnak, amelyek hasonlóak az összeszerelt régiókéhoz. A nem összeszerelt olvasmányok eloszlása a görögdinnye kromoszómákon ugyanazt a mintát mutatta, mint az átültethető elemeknél (ábra. 1a és kiegészítő ábra. 2). Három nagy ismétlődő egységet azonosítottunk a nem összeszerelt szekvenciákból a jelentős olvasási mélységük és a centromerek, a telomerek és a riboszomális DNS (rDNS) klaszterekkel való szekvenciális hasonlóságuk alapján. Továbbá megerősítettük ezen ismétlések jellegét a halak által (ábra. 1b-d). Ezek az eredmények együttesen alátámasztják azt az elképzelést, hogy az ismétlődő Arány alulbecslése fontos szerepet játszik a De novo genomszerelvények nem összeszerelt komponensében, különösen azok, amelyek a következő generációs szekvenálási technológiák11,12,13,14,15,16,17,18.

(a) A nem összeszerelt olvasmányok eloszlása az 1. kromoszómán. A nem összeszerelt olvasmányok eloszlását a másik tíz kromoszómán a kiegészítő ábra mutatja 2. TEs, átültethető elemek. (b) 4′-6-diamidino-2-fenilindollal (dapi, kék) festett görögdinnye kromoszómák halai a centromérához hasonló ismétlődő egységek próbáival (rózsaszín). C) A telomerhez hasonló ismétlődő egységekből származó szondákat használó halak (Piros). D) az rDNS-ekhez hasonló ismétlődő egységekből származó szondákat használó halak (Zöld, 45S; rózsaszín, 5S). Scale bars, 5 db.

az összeszerelt görögdinnye Genom minőségét tovább értékeltük körülbelül egymillió est, négy teljesen szekvenált BACs és 667 Bac klón párosított végszekvenciájának felhasználásával. Elemzéseink alátámasztották a görögdinnye Genom összeállításának magas színvonalát (kiegészítő megjegyzés, 4-6.kiegészítő táblázat és kiegészítő füge. 3. és 4.), amely kedvezően hasonlítható számos más, nemrégiben megjelent növényi genomhoz11,12,13,14,15,16,17,18 következő generációs szekvenálási technológiák alkalmazása (1.táblázat).

Repeat sequence annotation and gene prediction

a Transzponálható elemek az eukarióta genomok fő összetevői. Az összeszerelt görögdinnye genomból összesen 159,8 Mb-ot (45,2%) azonosítottunk átültethető elem ismétlésként. Ezen ismétlések közül 68,3% – ot ismert ismétlődő családokkal lehet kommentálni. A long terminal repeat (LTR) retrotranszpozonok, főként a cigány és a Copia típusú LTR-ek dominálnak. Az átültethető elemek divergenciájának eloszlása 32% – os csúcsot mutatott (kiegészítő ábra. 5). Továbbá 920 (7,8 Mb) teljes hosszúságú LTR retrotranszpozont azonosítottunk a görögdinnye genomjában. Megállapítottuk, hogy az elmúlt 4,5 millió évben az LTR retrotranszpozonok sokkal gyorsabban halmozódtak fel a görögdinnyében, mint az uborkában14 (kiegészítő ábra. 6) oly módon, hogy a genomméretük általános különbsége tükrözheti a differenciális LTR retrotranszpozon felhalmozódást.

23 440 nagy megbízhatóságú fehérjét kódoló gént jósoltunk a görögdinnye genomjában (7.kiegészítő táblázat), ami közel áll az uborka genomjában előre jelzett gének számához19. A görögdinnye által megjósolt gének körülbelül 85% – a vagy ismert homológokkal rendelkezett, vagy funkcionálisan osztályozható volt (8.kiegészítő táblázat). Ezen kívül 123 riboszomális RNS-t (rRNS), 789 transzfer RNS-t, 335 kis nukleáris RNS-t és 141 mikroRNS gént azonosítottunk (9.táblázat).

a korábban bejelentett növényi genomokkal összhangban a görögdinnye fehérjét kódoló gének egyértelmű dúsítási mintázatot mutattak a szubtelomer régiókban. Ezzel szemben a genom átültethető elemhez kapcsolódó frakciója elsősorban a pericentromer és centromer régiókban helyezkedett el. A 4-es, 8-as és 11-es kromoszómák rövid karjai erősen dúsulnak ismétlődő szekvenciákkal (kiegészítő ábra. 7). A 97103 genom egy 5S és két 45S rDNS klasztert tartalmazott a 4-es és 8-as kromoszómák rövid karján (ref. 10). Halak felhasználásával tovább vizsgáltuk az rDNS mintákat 20 reprezentatív görögdinnye-csatlakozás genomjában (10.kiegészítő táblázat). Az 5S és 45S rDNS helyek száma és elhelyezkedése a tíz modern művelt genomjában (C. lanatus subsp. vulgaris) és hat félvad görögdinnye (C. lanatus subsp. mucosospermus) azonosak voltak a 97103 genomban szereplőkkel, míg a négy távolabbi rokon vad görögdinnye (C. lanatus subsp. lanatus) egy 45S és két 5S rDNS helyet tartalmazott, a további 5S rDNS hely pedig a 11. kromoszóma rövid karján volt (kiegészítő ábra. 8). Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a C. lanatus Fajok evolúciója során előfordulhat kromoszóma fúzió, hasadás és rDNS transzpozíció. Elemzésünk megerősítette a három görögdinnye alfaj filogenetikai kapcsolatát20, és alátámasztotta azt a hipotézist, hogy a C. lanatus subsp. a mucosospermus a C. lanatus subsp legújabb őse. vulgaris.

Cucurbit Genom evolúció

a zárvatermőkben a genom egészére kiterjedő duplikáció gyakori, és fontos molekuláris mechanizmust képvisel, amely a modern növényi kariotípusokat alakította ki. A görögdinnye genomban hét fő hármasságot azonosítottunk, amelyek 302 párhuzamos kapcsolatnak felelnek meg, amelyek a genom 29% – át fedik le (ábra. 2a). Ezek az ősi triplikátumok megfeleltek a megosztott paleohexaploidizációs eseménynek (a következőképpen hivatkozunk rá)) eudicots21 amely 76-130 millió évvel ezelőtt nyúlik vissza. Ez jóval megelőzné a cucurbit genomspeciációs eseményt, amely 15-23 millió évvel ezelőtt történt (kiegészítő ábra. 9).

(a) A görögdinnye genomjában azonosított párhuzamos Párok sematikus ábrázolása (W1–w11 kromoszómák). Minden sor egy szinténikus régiót képvisel. A különböző színek a hét ősi eudicot kromoszóma kariotípus (A1, A4, A7, A10, A13, A16 és A19) eredetét tükrözik. B) a dinnye (1-11.kromoszóma), az uborka (1-7. kromoszóma) és a dinnye genomok (LG 1-12. kapcsolódási csoport) szinténiáinak sematikus ábrázolása. Minden sor egy szinténikus régiót képvisel. A három faj közül kettő közötti megosztott szintet egy világosszürke vonal köti össze. c) a görögdinnye genomjának (alul w1–w11) evolúciója a hét kromoszóma (A1, A4, A7, A10, A13, A16 és A19) közös eudicot Genom őseiből és a származtatott paleohexaploid n = 21 (A1–A21) ős közbenső. A színes blokkok a 7 vagy 21 kromoszómás ősök szegmenseinek fejlődését képviselik, hogy elérjék a modern görögdinnye genomszerkezetét. A 172 kromoszóma fúzió és hasadás színes nyilakkal van kiemelve. TE, átültethető elem; WGD, teljes genom duplikáció.

a modern cucurbit genomszerkezetekhez vezető evolúciós események természetéhez való hozzáféréshez elemeztük a görögdinnye, az uborka19, a melon22 és a grape21 közötti szintetikus kapcsolatokat. Referenciaként a szőlőt választottuk, mivel ismert, hogy ez a legközelebbi rokona a hét protokromoszómában felépített eudicot ősnek23. Összesen 3543 ortológ kapcsolatot azonosítottunk, amelyek a görögdinnye genomjának 60% – át fedik le. Ezután megvizsgáltuk a részletes kromoszóma-kromoszóma kapcsolatokat a Cucurbitaceae családon belül, és azonosítottuk a görögdinnye, az uborka és a dinnye közötti ortológ kromoszómákat (ábra. 2b). A mozaik kromoszóma-kromoszóma ortológ kapcsolatként ábrázolt bonyolult szinténikus minták a kromoszóma evolúciójának és átrendeződésének nagyfokú összetettségét mutatták a Cucurbitaceae család e három fontos növényfajában.

a négy eudicot Genom (görögdinnye, uborka, dinnye és szőlő) közötti duplikációk független elemzésének integrálása vezetett ahhoz a hét paleotriplikáció pontos jellemzéséhez a görögdinnyében, amelyeket a közelmúltban azonosítottak az eudicotsban található hét ősi kromoszómacsoport meghatározásának alapjaként.24. Az Eudicots-ra jelentett ősi hexaploidizáció (Ft) alapján olyan evolúciós forgatókönyvet javasolunk, amely a 11 görögdinnye kromoszómát a 7-kromoszóma eudicot őseitől a 21 paleohexaploid intermedieren keresztül alakította ki. Azt javasoljuk, hogy az átmenet a 21-kromoszóma eudicot köztes ősök részt 81 hasadások és 91 fúziók, hogy elérje a modern 11-kromoszóma szerkezete görögdinnye, amely képviseli, mint egy mozaik 102 ősi blokkok (ábra. 2c).

a görögdinnye csíraplazmájának genetikai sokféleségének értékelése

20 reprezentatív görögdinnye-csatlakozást választottunk ki a genom újraszekvenálásához. Ezek közé tartozott tíz termesztett csatlakozás, amelyek a C. lanatus subsp. vulgaris (öt kelet-ázsiai és öt amerikai ökotípus), hat semiwild C. lanatus subsp. mucosospermus és négy vad C. lanatus subsp. lanatus (kiegészítő táblázat 10 és kiegészítő ábra. 10). Ezeket a csatlakozásokat szekvenáltuk 5 és 16 fő közötti lefedettségre, és a rövid olvasatokat a 97103 genomjához térképeztük fel (11.kiegészítő táblázat). Összesen 6 784 860 jelölt SNP-t és 965 006 kis beillesztést/törlést (indelt) azonosítottunk a 20 újraszekvenált vonal és 97 103 között. A fő variációk a C. lanatus subsp között léteztek. lanatus és a másik két alfaj, míg a variáció a termesztett görögdinnye, különösen a C. lanatus subsp. a vulgaris America ökotípus viszonylag alacsony volt (12.Kiegészítő táblázat). Az SNP és az indel hívás pontossága 99,3% , illetve 98% volt, amint azt a Sanger szekvenálás jelzi (kiegészítő megjegyzés és 13.kiegészítő táblázat). Ez a kiterjedt görögdinnye Genom variációs adatkészlet, amely a görögdinnye genetikai sokféleségének széles spektrumát lefedi, értékes erőforrást jelent a biológiai felfedezéshez és a csíraplazma javításához.

a dinnyepopuláció genetikai sokféleségét két közös összefoglaló statisztika, A!!! és a!!!!!!!!! érték25 felhasználásával értékeltük. A görögdinnye becsült sokfélesége (14.kiegészítő táblázat) lényegesen alacsonyabb volt, mint a maize26, a szójabab27 és a rizs28 esetében. A vad görögdinnye nagyobb genetikai sokféleséget tartalmaz, ami további genetikai lehetőséget jelez a görögdinnye javítására. Megvizsgáltuk továbbá a dinnyehozzáférések populációszerkezetét és kapcsolatait egy szomszédhoz csatlakozó fa felépítésével (ábra. 3a) és főkomponens-elemzés (PCA) (ábra. 3b). Mindkét elemzés a C. lanatus subsp közötti szoros kapcsolatot jelezte. vulgaris és C. lanatus subsp. mucosospermus (kiegészítő megjegyzés). A populáció szerkezetének további elemzése a FRAPPE program segítségével29 K-vel (a populációk száma) 2-től 5-ig állítva új alcsoportot azonosított a C. lanatus subsp-n belül. mucosospermus csoport (amikor K = 5) és a C. lanatus subsp. vulgaris és C. lanatus subsp. mucosospermus (ábra. 3C és kiegészítő megjegyzés). Az új alcsoport a termesztett görögdinnye néhány jellemzőjét mutatja, mint például a puha hús textúrája, a rózsaszín hús színe és a viszonylag magas cukortartalom (10.kiegészítő táblázat és kiegészítő ábra. 10). Ezek az eredmények együttesen további támogatást nyújtanak a C. lanatus subsp javasolt evolúciós forgatókönyvéhez. mucosospermus a C. lanatus subsp. vulgaris a kromoszómális rDNS Eloszlás FISH elemzéséből származik.

(a) szomszéd-csatlakozás filogenetikai fa görögdinnye csatlakozások alapján SNP. B) a görögdinnye-csatlakozások PCA-elemzése SNP-k markerként történő felhasználásával. C. lanatus subsp. vulgaris Kelet-Ázsia és Amerika ecotypes és C. lanatus subsp. mucosospermus csatlakozások klaszter együtt (nyíl), és szinte megkülönböztethetetlen. c) a görögdinnye-csatlakozások Népességszerkezete. Minden szín egy populációt képvisel, az egyes csatlakozásokat függőleges sáv képviseli, az egyes függőleges sávokban az egyes színes szegmensek hossza pedig az ősi populációk arányát képviseli. A bemutatott reprezentatív görögdinnye képek minden alfajból vagy ökotípusból.

ezután megvizsgáltuk a genomot olyan régiók számára, ahol a legnagyobb különbségek vannak a genetikai sokféleségben (nmucosospermus/nvulgaris) a C között. lanatus subsp. mucosospermus és C. lanatus subsp. vulgaris. Ezek a régiók potenciális szelektív söpréseket jelentenek a görögdinnye háziasítása során, mivel úgy gondolják, hogy a modern görögdinnye fajtákat háziasították C. lanatus subsp. mucosospermus. Összesen 108 régiót azonosítottunk (7,78 Mb méretű), amelyek 741 jelölt gént tartalmaznak (ábra. 4. és 15. kiegészítő táblázat). Bár ezekben a régiókban a génkiegészítéseket befolyásolhatta a genetikai stoppolás, azonosítottuk azokat a biológiai folyamatokat, amelyek jelentősen gazdagodtak a jelölt génekben, amelyek a teljes genomhoz képest fontos kiválasztott tulajdonságokhoz kapcsolódtak, beleértve a szénhidráthasználat szabályozását, a cukor által közvetített jelátvitelt, a szénhidrát anyagcserét, a szacharóz stimulusra adott választ, a nitrogén-vegyület anyagcseréjének szabályozását, a sejtek válaszát a nitrogén éhezésre és növekedésre (kiegészítő megjegyzés és kiegészítő táblázatok 16-18).

az x tengely alatti Rózsaszín sávok azoknak a régióknak felelnek meg, amelyekben a sokszínűség különbsége 1% – os szignifikancia-szinttel rendelkezik (nmucosospermus/nvulgaris).

figyelemre méltó, hogy bizonyos nem-centromer régiók, különösen a 3.kromoszóma nagy régiója (a 3,4 Mb-tól a 5,6 Mb-ig), különösen nagy nukleotid-divergenciával rendelkeznek csak a C. lanatus subsp. mucosospermus csatlakozások (ábra. 4). Egy korábbi jelentés hasonló megállapítást írt le három különböző rizskereszt esetében, és azt javasolták, hogy ezek a populációspecifikus, nagy divergenciájú régiók nagymértékben kapcsolódnak a reproduktív gátakban részt vevő génekhez30. Elemeztük a 3. kromoszóma nagy, nagy sokféleségű régiójában található géneket, és valóban azt találtuk, hogy a legjelentősebb dúsított génkategóriák a pollen felismerése és a pollen-bibe kölcsönhatás; mindkét génkategória a reproduktív akadályokhoz kapcsolódik (19.kiegészítő táblázat). Ezenkívül megállapítottuk, hogy a régió 12 tandemly elrendezett s-locus protein kináz génből álló nagy klasztert tartalmaz, amelyek részt vesznek a reproduktív gátakban31. A reprodukciós gát gének magas nukleotid divergenciája a C. lanatus subsp-ben. a mucosospermus, a modern termesztett görögdinnye legújabb őse azt jelzi, hogy a görögdinnye háziasítása lehetséges erő lehet a reproduktív akadályok gyors fejlődéséért, amint arról a rice30 beszámolt. Ezen túlmenően az abiotikus és biotikus stresszre adott növényi válaszokban részt vevő gének is jelentősen gazdagodtak ebben a régióban, azon gének mellett, amelyek számos ismert kiválasztott tulajdonsághoz kapcsolódnak, mint például a szénhidrát-anyagcsere, a gyümölcsíz (terpén-anyagcsere) és a magolaj-tartalom (zsírsav-anyagcsere) (19.kiegészítő táblázat).

a betegségrezisztencia gének fejlődése a görögdinnyében

a görögdinnye termése számos betegség miatt jelentős veszteségeket szenved. Ezért a kórokozó-rezisztencia javítása a görögdinnye tenyésztési programok folyamatos célja. A kórokozó-érzékenység molekuláris alapjainak vizsgálatához a görögdinnye genomjában a rezisztencia gének három fő osztályát kerestük, nevezetesen a nukleotidkötő helyet és a leucin-gazdag ismétlést (NBS-LRR), a lipoxigenázt (LOX)32 és a receptorszerű géncsaládokat33. Összesen 44 NBS-LRR gént azonosítottunk, köztük 18 Toll interleukin receptor (TIR)-NBS-LRR– és 26 tekercselt tekercs (CC)-NBS-LRR-kódoló gént (kiegészítő táblázat 20). A görögdinnye NBS-LRR génjei egymástól függetlenül fejlődtek, és nem észleltünk szekvenciacserét a különböző homológok között. Ezek az evolúciós minták hasonlóak a saláta és az Arabidopsis34 II-es típusú r génjeihez, ami azt jelzi, hogy a görögdinnye alacsony NBS-LRR génváltozattal rendelkezik. Az NBS-LRR gének száma a görögdinnye genomjában hasonló az uborka14 és a papaya35 génekéhez, de lényegesen kevesebb, mint a maize36, a rice37 és az alma12 géneké. Ezzel szemben a LOX géncsalád a görögdinnye genomjában 26 taggal bővült, amelyek közül 19 két tandem génrendszerben van elrendezve (kiegészítő ábra. 11). Hasonló eredményekről számoltak be az uborka esetében is, mivel a LOX géncsalád terjeszkedését a kórokozó invázióval való megbirkózás lehetséges kiegészítő mechanizmusának tekintették14. További 197 receptorszerű gént azonosítottunk a görögdinnye genomjában, amelyek közül 35 olyan receptorszerű fehérjét kódol, amelynek nincs kináz doménje, 162 pedig olyan receptorszerű kinázokat kódol, amelyek intracelluláris kináz doménnel rendelkeznek az extracelluláris LRR és a transzmembrán domének mellett (20.táblázat). Ezen rezisztencia gének közül sok a kromoszómákon található klaszterekben (kiegészítő ábra. 11), tandem duplikációkat javasolva evolúciós alapjukként.

azt feltételezték, hogy a modern görögdinnye fajták sokféle betegséggel szembeni ellenállásának hiánya annak a sokéves termesztésnek és szelekciónak az eredménye,amely a kívánatos gyümölcsminőségre összpontosított a betegségállóság kárára.8, 38. Ennek a fogalomnak a tesztelésére de novo összeállításokat végeztünk feltérképezetlen olvasmányokból, amelyek mindegyike a modern művelésből származik (C. lanatus subsp. vulgaris) és félvad és vad (C. lanatus subsp. mucosospermus és C. lanatus subsp. lanatus, illetve) csatlakozások. 11, illetve 69 gént azonosítottunk a termesztett, illetve a félvad és vad csoportokból, amelyek homológ az ismert növényi fehérjékkel (21.kiegészítő táblázat). Itt érdemes megemlíteni, hogy a semiwild és wild csoportból azonosított 69 új gén nagymértékben gazdagodott betegséggel kapcsolatos génekkel, köztük 6 TIR-LRR-NBS génnel, 1 PR-1 génnel és 3 lipoxigenáz génnel, míg a tenyésztett csoportban azonosított 11 gén közül egyik sem volt betegséggel kapcsolatos. Ezenkívül a 44 NBS-LRR gén, amelyet a 97103 genomban azonosítottak, szintén jelen volt a semiwild and wild csatlakozásokban (kiegészítő megjegyzés). Ezek az eredmények alátámasztják azt a hipotézist, miszerint a betegségekkel szembeni rezisztencia gének nagy része elveszett a görögdinnye háziasítása során.

cucurbit phloem nedv és vaszkuláris transzkriptómák elemzése

az angiosperm enucleate szita csőrendszer mRNS-t tartalmaz, amelyek közül néhányról kimutatták,hogy távolsági jelzőanyagként működik39, 40. Mély transzkriptóm szekvenálással (22.Kiegészítő táblázat) 13 775 és 14 242 mRNS fajt azonosítottunk a görögdinnye és az uborka érkötegében, illetve 1519 és 1012 transzkriptumot a görögdinnye és az uborka phloem nedvében (23-26. kiegészítő táblázat). Különösen azt találtuk, hogy a két cucurbit faj közötti vaszkuláris kötegekben lévő génkészletek szinte azonosak voltak, míg a phloem nedvben kimutatott transzkriptumoknak csak 50-60% – a volt gyakori a két faj között (kiegészítő megjegyzés és 27.Kiegészítő táblázat). A Gene Ontology (GO) kifejezés dúsítási elemzése azt mutatta, hogy a gyakori floem-átiratok fő kategóriái a stresszre vagy az ingerre adott válasz (28.Kiegészítő táblázat), amely teljes mértékben összhangban van a növényi érrendszer központi szerepével, és különösen a floemmel a távolsági kommunikációs rendszerben, amely integrálja az abiotikus és a biotikus stresszjelzést a teljes növényi szinten41. Ezzel szemben a görögdinnye egyedülálló phloem transzkriptumainak elemzése a makromolekuláris bioszintézis folyamatát és a fehérje anyagcsere folyamatát azonosította a fő GO kategóriákként (29.kiegészítő táblázat). Az egyedülálló phloem sap átiratok tükrözhetik azokat a speciális funkciókat, amelyek egyedülállóak a phloem szerepére ezekben a fajokban. Figyelemre méltó, hogy a görögdinnye phloem 118 transzkripciós faktort tartalmazott, míg az uborkában csak 46 transzkripciós faktort és 32 transzkripciós faktort azonosítottunk, amelyek mindkettőnél közösek voltak (30-32.kiegészítő táblázatok).

a tököt (Cucurbita maxima) használták modellrendszerként a phloem tanulmányokhoz42,43. A pumpkin vascular bundle és a phloem sap transcript katalógusokat az Illumina párosított végű RNS szekvenálás (RNS-Seq) olvasmányok generálásával és De novo összeállításával fejlesztettük ki. A görögdinnye, uborka és tök floem transzkriptómák összehasonlító elemzése azt mutatta, hogy átirataik körülbelül 36% – a közös (kiegészítő ábra. 12). Ezek a konzervált átiratok valószínűleg olyan funkciókat látnak el, amelyek központi szerepet játszanak a szitacső rendszer működésében a legtöbb cucurbitban, esetleg további fajokban.

a görögdinnye gyümölcs fejlődésének és minőségének szabályozása

a görögdinnye gyümölcs fejlődése összetett folyamat, amely a méret, a szín, a textúra, a cukortartalom és a táplálkozási összetevők jelentős változásait foglalja magában. A görögdinnye gyümölcs fejlődésében és minőségében szerepet játszó gének átfogó jellemzése érdekében mind a hús, mind a héj szálspecifikus RNS-Seq44-et végeztünk a gyümölcsfejlődés négy döntő szakaszában a 97103 beltenyésztett vonalon (33.kiegészítő táblázat). 3046 és 558 gént azonosítottunk, amelyek a gyümölcsfejlődés során különbözőképpen expresszálódtak a húsban és a héjban, valamint 5352 gént, amelyek a hús és a héj között különbözőképpen expresszálódtak a négy szakasz legalább egyikében (34-36.táblázat). A GO term dúsítási elemzés azt mutatta, hogy a gyümölcs fejlődése során mind a húsban, mind a héjában a biológiai folyamatok, például a sejtfal biogenezise, a flavonoid metabolizmus és a védekezési válaszok jelentősen megváltoztak (hamis felfedezési arányok (FDR) < 0,01), míg a karotinoid, hexóz és monoszacharid anyagcsere folyamatok csak jelentősen megváltoztak a húsban, támogatva a hús és a héj közötti jelentős fiziológiai különbségeket, beleértve a cukortartalmat és a gyümölcs színét (37.kiegészítő táblázat).

a cukortartalom kulcsfontosságú tényező a görögdinnye gyümölcsminőségének meghatározásában. A görögdinnye édességét mind a teljes cukortartalom, mind a fő halmozott cukrok aránya határozza meg: glükóz, fruktóz és szukróz45. A fiatal 97103 gyümölcshúsban a fruktóz és a glükóz a domináns cukor, míg az érett 97103 gyümölcshúsban mind a szacharóz, mind az összes cukortartalom jelentősen megnő, ekkor a szacharóz válik domináns cukorrá; a héjában a cukortartalom viszonylag alacsony marad (38.kiegészítő táblázat). A görögdinnye gyümölcsben a cukor végső felhalmozódását a cukor kiürülése határozza meg a phloem-ből, majd a gyümölcs húsában történő felvétel és anyagcsere. Az annotált görögdinnye Genom összesen 62 cukor metabolikus enzim gént és 76 cukor transzporter gént tartalmaz, amelyek közül 13 cukor metabolikus gént és 14 cukor transzporter gént különbözőképpen fejeztek ki a hús fejlődése során, valamint a hús és a bőr szövetei között (39.és 40. táblázat). Ezen eredmények és más növényfajok46,47 korábban publikált munkái alapján javaslatot teszünk a görögdinnye gyümölcshúsának sejtjeiben a cukor metabolizmusának modelljére (kiegészítő ábra. 13). Pontosabban, a görögdinnye húsának fejlődése során a 0C-galaktozidáz, az oldhatatlan savas invertáz, a semleges invertáz, a szacharóz-foszfát-szintáz, az UDP-glükóz-4-epimeráz, az oldható savas invertáz és az UDP-galaktóz/glükóz-pirofoszforiláz kulcsfontosságú enzimekként működnek, amelyek részt vesznek a cukor kirakodásának és metabolizmusának szabályozásában. Ezenkívül valószínűleg a 14 különböző módon kifejezett cukorszállító felelős a cukor felosztásáért (kiegészítő megjegyzés).

a transzkripciós faktorok szintén szerepet játszanak a cukor felhalmozódásában48. A görögdinnye genomjában azonosított 1448 feltételezett transzkripciós faktor gén közül 193 szignifikáns expressziós változást mutatott (FDR < 0,01) a hús fejlődése során és a húsban is, összehasonlítva a héj későbbi szakaszaiban, beleértve a cukor felhalmozódásának szabályozásában ismert családok transzkripciós faktorait (kiegészítő megjegyzés és 41.és 42. kiegészítő táblázat). Figyelemre méltó, hogy az egyik Bzip gén, a Cla014572, a húsfejlődés során csökken, és tartalmazza a szacharóz-vezérelt upstream open reading frame (SC-uORF) (kiegészítő megjegyzés és kiegészítő ábra. 14). Nemrégiben arról számoltak be, hogy a tbz17 bzip gént tartalmazó dohány SC-uorfot konstitutív módon expresszáló, de SC-uORF hiányában szenvedő transzgenikus növények megnövelték a cukorkoncentrációt49. Ezért elemzésünk összhangban van a cla014572 szerepével, mint a cukor felhalmozódásának kulcsfontosságú szabályozója a gyümölcsfejlődés során.

MADS-box gének, mint például a MADS-RIN (más néven LeMADS-RIN)50 és a TAGL1 (ref. 51) a paradicsomban arról számoltak be, hogy szabályozza a gyümölcs tágulási és érési folyamatait. A görögdinnye, az uborka és az Arabidopsis Mads-box transzkripciós faktorok filogenetikai analízise a MADS-RINNEL és a TAGL1-gyel együtt két Mads-box transzkripciós faktort azonosított a görögdinnye mindegyik Rin és AGL1 kládjában (kiegészítő megjegyzés és kiegészítő ábra. 15). Ez a négy gén (Cla000691 és Cla010815 a RIN kládban és Cla009725 és Cla019630 az AGL1 kládban) a leginkább kifejezett MADS-box transzkripciós faktorok közé tartozik a gyümölcsfejlődés során (43.kiegészítő táblázat). Nevezetesen, a MADS-RIN-től eltérően, amely csak az érlelő gyümölcsökben expresszálódik, mind a Cla000691, mind a Cla010815 erősen expresszálódik a gyümölcsfejlődés során, ami azt jelzi, hogy fejlődhettek, hogy az érés mellett más funkciókban is részt vegyenek. E tekintetben figyelemre méltó, hogy a MADS-RIN közeli banán-és eper homológjai olyan expressziós és/vagy funkcionális tevékenységeket is mutatnak,amelyek túlmutatnak az érlelő gyümölcsön52, 53. A cla009725 és a cla019630 kifejezési profiljai a GYÜMÖLCSFEJLŐDÉS során hasonlóak a TAGL1 kifejezési profiljaihoz, amelyek összhangban vannak a gyümölcsök terjeszkedésének és érésének szabályozásában betöltött lehetséges szerepükkel51.

a citrullin egy nem esszenciális aminosav, amelyet glutaminból állítanak elő, és számos előnye van az egészségnek és az atlétikai teljesítménynek. Neve a Citrullus, a görögdinnye Latin szóból származik, amelyből először izolálták54. A görögdinnye húsa és héja a citrullin természetes forrásaként szolgál, és bősége jelentősen megnő a gyümölcs érése során, de aztán csökken, amikor a gyümölcs túléretté válik (kiegészítő ábra. 16). A görögdinnye genomjának kommentárja alapján 14 gént azonosítottunk a citrullin metabolikus útjában (kiegészítő ábra. 17). Az Arabidopsis citrullin metabolikus útjához képest ez az út a görögdinnyében az arginoszukcináz és az arginoszukcinát szintáz családokban terjeszkedett. Mindkettő részt vesz a citrullin L-argininné történő átalakításában. Megállapítottuk, hogy egy arginoszukcináz és két arginoszukcinát szintáz gén erősen le van szabályozva a görögdinnye húsának fejlődése során (44.kiegészítő táblázat). Így a citrullin felhalmozódása az érlelő gyümölcshúsban valószínűleg a citrullin lebomlásának csökkent aktivitásának eredménye.