het ontwerp-genoom van watermeloen (Citrullus lanatus) en hersequencing van 20 verschillende toetredingen

genoomsequencing en assemblage

we selecteerden de Chinese elite watermeloen inteelt lijn 97103 voor genoomsequencing. Wij produceerden een totaal van 46.18 Gb van hoogwaardige genomic opeenvolging gebruikend Illumina het rangschikken technologie( aanvullende tabel 1), die 108 vertegenwoordigen.6-voudige dekking van het gehele genoom van de watermeloen, die een geschatte genoomgrootte van ∼425 Mb op basis van onze 17-mer diepteverdeling analyse van de sequenced leest heeft (aanvullende Fig. 1)en een vroegere cytometrieanalyse9 van de stroom. De novo-assemblage van Illumina reads resulteerde in een definitieve assemblage van 353.5 Mb, die 83,2% van het watermelongenoom vertegenwoordigen. De assemblage bestaat uit 1.793 steigers (≥500 bp) met N50 lengtes van 2,38 Mb en 26,38 kb voor de steigers en contigs, respectievelijk (aanvullende tabel 2). In totaal 234 steigers van ongeveer 330 Mb (93.5% van het geassembleerde genoom) werden verankerd aan de 11 watermeloenchromosomen, waaronder 126 en 94 scaffolds goed voor 70% en 65% van het geassembleerde genoom werden geordend en georiënteerd, respectievelijk 10.

wij hebben getracht te bepalen waarom 16,8% van het genoom niet door onze genoomassemblage werd gedekt door niet-geassembleerde reads (17,4% van de totale reads) aan het geassembleerde genoom aan te passen met minder strenge criteria (aanvullende noot en aanvullende tabel 3). We vonden dat de niet-geassembleerde genoomgebieden hoofdzakelijk uit opeenvolgingen zijn samengesteld die aan die van de geassembleerde gebieden gelijkaardig zijn. Verdeling van de niet-geassembleerde leest op de watermeloen chromosomen toonde hetzelfde patroon als dat Voor transposeerbare elementen (Fig. 1a en aanvullende Fig. 2). Wij identificeerden drie belangrijke herhalingseenheden van de niet-geassembleerde opeenvolgingen op basis van hun wezenlijke gelezen diepten en opeenvolgings gelijkenissen met centromeren, telomeren en ribosomal DNA (rDNA) clusters. Verder bevestigden we de aard van deze herhalingen door vissen (Fig. 1b-d). Samen ondersteunen deze resultaten het idee dat de onderschatting van de herhaalde Verhouding een belangrijke rol heeft in de niet-geassembleerde component van de novo genoomassemblages, vooral die die worden gegenereerd gebruikend next-generation sequencing technologies11,12,13,14,15,16,17,18.

(a) verdeling van niet-geassembleerde leest op chromosoom 1. De verdeling van niet-geassembleerde leest op de andere tien chromosomen wordt getoond in aanvullend Figuur 2. TEs, transposeerbare elementen. b) vissen van watermeloenchromosomen gekleurd met 4′-6-diamidino-2-phenylindol (DAPI, blauw) met behulp van sondes van herhaaleenheden vergelijkbaar met de centromeer (roze). c) vissen met sondes van soortgelijke telomeereenheden (rood). (d) vissen met sondes van herhaaleenheden vergelijkbaar met de rDNAs (groen, 45S; roze, 5S). Schaal bars, 5 µm.

we evalueerden verder de kwaliteit van het geassembleerde genoom van watermeloen met behulp van ongeveer een miljoen ESTs, vier volledig gesequenced BACs en gepaarde-eindsequenties van 667 Bac klonen. Onze analyses ondersteunden de hoge kwaliteit van de watermeloen genoom assemblage (aanvullende Noot, aanvullende tabellen 4-6 en aanvullende vijgen. 3 en 4), die gunstig vergelijkbaar is met een aantal andere onlangs gepubliceerde plantengenomen11,12,13,14,15,16,17,18 gebruik van sequentietechnologieën van de volgende generatie (Tabel 1).

Herhalingsequentieannotatie en genvoorspelling

Transposeerbare elementen zijn belangrijke componenten van eukaryotische genomen. We identificeerden een totaal van 159,8 Mb (45,2%) van het geassembleerde watermeloen genoom als transposeerbare element herhaalt. Onder deze herhalingen, kon 68,3% met bekende herhaalde families worden geannoteerd. De long terminal repeat (LTR) retrotransposons, voornamelijk Gypsy-type en Copia-Type ltr ‘ s, zijn overheersend. De verdeling van de divergentiepercentages van de transposeerbare elementen vertoonde een piek van 32% (aanvullende Fig. 5). We identificeerden verder 920 (7,8 Mb) LTR retrotransposons van volledige lengte in het genoom van de watermeloen. We ontdekten dat in de afgelopen 4,5 miljoen jaar LTR retrotransposons zich veel sneller ophopen in watermeloen dan in komkommer14 (aanvullende Fig. 6) zodanig dat het algemene verschil in hun genoomgrootte de differentiële ltr retrotransposonaccumulatie kan weerspiegelen.

we voorspelden 23.440 eiwitcoderende genen met een hoog betrouwbaarheidsinterval in het genoom van watermeloen (aanvullende tabel 7), wat dicht bij het aantal voorspelde genen in het genoom van komkommer19 ligt. Ongeveer 85% van de voorspelde genen van watermeloen had bekende homologen of kon functioneel geclassificeerd worden (aanvullende tabel 8). Bovendien identificeerden wij ook 123 ribosomal RNA( rRNA), 789 overdrachtsrna, 335 kleine kernrna en 141 microRNA genen (aanvullende tabel 9).

in overeenstemming met eerder gerapporteerde plantengenomen vertoonden de watermeloeneiwitcoderende genen een duidelijk verrijkingspatroon binnen subtelomere gebieden. In tegenstelling, werd de transposable element-verwante fractie van het genoom gevestigd hoofdzakelijk binnen de pericentromere en centromere gebieden. De korte armen van chromosomen 4, 8 en 11 zijn sterk verrijkt met herhaalde sequenties (aanvullende Fig. 7). Het 97103 genoom bevatte één 5s en twee 45s rDNA clusters op de korte arm van chromosomen 4 en 8 (ref. 10). Met behulp van vis hebben we verder onderzoek gedaan naar rDNA patronen in genomen van 20 representatieve watermeloen toetredingen (aanvullende tabel 10). Het aantal en de locatie van 5S en 45S rDNA sites in de genomen van de tien moderne gecultiveerde (C. lanatus subsp. vulgaris) en zes halfwilde watermeloen (C. lanatus subsp. mucosospermus) waren identiek aan die in het 97103 genoom, terwijl de genomen van de vier meer ver verwante wilde watermeloen (C. lanatus subsp. lanatus) bevatte één 45S en twee 5s rDNA plaatsen, met de extra 5s rDNA plaats op de korte arm van chromosoom 11 (aanvullende Fig. 8). Deze resultaten wijzen erop dat chromosoomfusie, splijting en transpositie van rDNA tijdens de evolutie van C. lanatus species kunnen voorkomen. Onze Analyse bevestigde ook de fylogenetische relatie van deze drie watermeloen subspecies20 en ondersteunde de hypothese dat C. lanatus subsp. mucosospermus is de recente voorouder van C. lanatus subsp. vulgaris.

cucurbit genoomevolutie

genoombrede duplicatie in angiospermen is gebruikelijk en vertegenwoordigt een belangrijk moleculair mechanisme dat moderne plantkaryotypen heeft gevormd. In het genoom van de watermeloen identificeerden we zeven belangrijke triplicaties die overeenkwamen met 302 paralogeuze relaties die 29% van het genoom beslaan (Fig. 2 bis). Deze voorouderlijke triplicaten kwamen overeen met de gedeelde paleohexaploidisatie gebeurtenis (verwezen als γ) gerapporteerd voor eudicots21 die teruggaat tot 76-130 miljoen jaar geleden. Dit zou ruim vooruitlopen op de cucurbit genoom speciatie gebeurtenis die 15-23 miljoen jaar geleden plaatsvond (aanvullende Fig. 9).

(a) schematische weergave van paralogeuze paren geïdentificeerd binnen het watermeloen genoom (chromosomen w1–w11). Elke lijn vertegenwoordigt een syntenisch gebied. Verschillende kleuren weerspiegelen de oorsprong van het zeven voorouderlijke eudicot chromosoom karyotype (A1, A4, A7, A10, A13, A16 en A19). B) schematische weergave van syntenieën tussen watermeloen (chromosomen 1-11), komkommer (chromosomen 1-7) en meloen genomen (linkage groups (LG) 1-12). Elke lijn vertegenwoordigt een syntenisch gebied. Gedeelde syntenie tussen twee van de drie soorten is verbonden door een lichtgrijze lijn. (C) evolutie van het watermeloengenoom (W1–W11 onderaan) uit de gemeenschappelijke eudicot–genoom voorouders van zeven chromosomen (A1, A4, A7, A10, A13, A16 en A19) en de afgeleide paleohexaploïde n = 21 (A1-A21) voorouder intermediair. Gekleurde blokken vertegenwoordigen de evolutie van segmenten van de 7 – of 21-chromosoom voorouders om de moderne watermeloen genoomstructuur te bereiken. De 172 chromosomale fusies en fissions worden gemarkeerd met gekleurde pijlen. Te, transposable element; WGD, whole-genome duplicatie.

om toegang te krijgen tot de aard van evolutionaire gebeurtenissen die leiden tot moderne cucurbit genoomstructuren, analyseerden we de syntenische relaties tussen watermeloen, komkommer19, melon22 en grape21. We kozen druif als referentie, omdat het bekend staat dat het het dichtst verwant is aan de eudicot-voorouder gestructureerd in zeven protochromosomen23. We identificeerden een totaal van 3.543 orthologe relaties die 60% van het watermeloen genoom beslaan. Vervolgens onderzochten we de gedetailleerde chromosoom-tot-chromosoom relaties binnen de Cucurbitaceae familie en identificeerden we orthologe chromosomen tussen watermeloen, komkommer en meloen (Fig. 2b). De ingewikkelde syntenische patronen geïllustreerd als mozaïek chromosoom-naar-chromosoom orthologe relaties onthulde een hoge mate van complexiteit van chromosomale evolutie en herschikking tussen deze drie belangrijke gewas soorten van de Cucurbitaceae familie.Integratie van onafhankelijke analyses van duplicaties binnen en syntenieën tussen de vier eudicot-genomen (watermeloen, komkommer, meloen en druif) leidde tot de precieze karakterisering in watermeloen van de zeven paleotriplicaties die onlangs werden geïdentificeerd als de basis voor de definitie van zeven voorouderlijke chromosomale groepen in eudicots24. Op basis van de voorouderlijke hexaploidization (γ) gerapporteerd voor de eudicots, stellen wij een evolutionair scenario voor dat de 11 watermeloenchromosomen van de 7-chromosoom eudicot voorouders door de 21 paleohexaploid tussenpersonen heeft gevormd. We stellen voor dat de overgang van de 21-chromosoom eudicot intermediaire voorouders betrokken 81 fissions en 91 fusions om de moderne 11-chromosoom structuur van watermeloen te bereiken, die wordt weergegeven als een mozaïek van 102 voorouderlijke blokken (Fig. 2c).

Assessment of genetic diversity in watermelon germplasma

we selecteerden 20 representatieve watermeloen toetredingen voor genoom-hersequencing. Deze omvatten tien gecultiveerde toetredingen die de belangrijkste variëteiten van C. lanatus subsp vertegenwoordigen. vulgaris (vijf Oost-Azië en vijf Amerika ecotypes), zes halfwild C. lanatus subsp. mucosospermus en vier wilde C. lanatus subsp. lanatus (aanvullende tabel 10 en aanvullende Fig. 10). We sequentieerden deze toetredingen tot tussen 5× en 16 × dekking en brachten de korte reads in kaart naar het genoom van 97103 (aanvullende Tabel 11). We identificeerden een totaal van 6.784.860 kandidaat SNP ‘ s en 965.006 kleine inserties/deleties (indels) onder de 20 hersequenced lijnen en 97103. De belangrijkste variaties bestonden tussen C. lanatus subsp. lanatus en de andere twee ondersoorten, terwijl de variatie binnen de gecultiveerde watermeloen, vooral C. lanatus subsp. vulgaris America ecotype, was relatief laag (aanvullende Tabel 12). De nauwkeurigheid van onze SNP en Indel bellen was 99,3% en 98%, respectievelijk, zoals aangegeven door Sanger sequencing (aanvullende noot en aanvullende tabel 13). Deze uitgebreide dataset van de genoomvariatie van watermeloen, die een breed spectrum van watermeloen genetische diversiteit omvat, vertegenwoordigt een waardevolle bron voor biologische ontdekking en verbetering van germplasma.

we hebben de genetische diversiteit van de watermeloenpopulatie geëvalueerd aan de hand van twee gemeenschappelijke samenvattende statistieken, π-en θw-waarden25. De geschatte hoeveelheid diversiteit in watermeloen (aanvullende Tabel 14) was aanzienlijk lager dan die in maize26, soja27 en rijst28. Wilde watermeloen bevat een grotere genetische diversiteit, wat wijst op extra genetische mogelijkheid voor watermeloen verbetering. We onderzochten ook de populatiestructuur en relaties tussen de watermeloen toetredingen door de bouw van een buurboom (Fig. 3a) en hoofdcomponentanalyse (PCA) (Fig. 3b). Beide analyses wezen op de nauwe relatie tussen C. lanatus subsp. vulgaris en C. lanatus subsp. mucosospermus (aanvullende aantekening). Aanvullende analyse van de populatiestructuur met behulp van het FRAPPE-programma29 met K (het aantal populaties) ingesteld van 2 tot 5 identificeerde een nieuwe subgroep binnen de C. lanatus subsp. mucosospermus groep (wanneer K = 5) en mengsels tussen C. lanatus subsp. vulgaris en C. lanatus subsp. mucosospermus (Fig. 3c en aanvullende opmerking). De nieuwe subgroep vertoont enkele kenmerken van de gecultiveerde watermeloen, zoals zachte vleesextuur, roze vleeskleur en relatief hoog suikergehalte (aanvullende tabel 10 en aanvullende Fig. 10). Samen bieden deze resultaten verdere ondersteuning voor ons voorgestelde evolutionaire scenario van C. lanatus subsp. mucosospermus tot C. lanatus subsp. vulgaris afgeleid van de FISH analyse van chromosomale rDNA distributie.

(a) buurman-toetreden fylogenetische boom van watermeloen toetredingen op basis van SNPs. b) PSO-analyse van de toetredingen van watermeloenen aan de hand van SNP ‘ s. C. lanatus subsp. vulgaris east Asia and America ecotypes en C. lanatus subsp. mucosospermus toetredingen cluster samen (pijl) en zijn bijna niet te onderscheiden. c) bevolkingsstructuur van de toetredingen met watermeloen. Elke kleur vertegenwoordigt een populatie, elke toetreding wordt vertegenwoordigd door een verticale balk, en de lengte van elk gekleurd segment in elke verticale balk vertegenwoordigt de verhouding bijgedragen door voorouderlijke populaties. Afgebeeld zijn representatieve watermeloen foto ‘ s van elke ondersoort of ecotype.

vervolgens hebben we het genoom gescand op gebieden met de grootste verschillen in genetische diversiteit (nmucosospermus/nvulgaris) tussen C. lanatus subsp. mucosospermus en C. lanatus subsp. vulgaris. Deze regio ‘ s vertegenwoordigen potentiële selectieve sweeps tijdens het domesticeren van watermeloen, omdat men denkt dat moderne watermeloen cultivars gedomesticeerd zijn van C. lanatus subsp. mucosospermus. We identificeerden een totaal van 108 regio ‘ s (7.78 Mb in grootte) met 741 kandidaatgenen (Fig. 4 en aanvullende Tabel 15). Hoewel gen aanvulling in deze regio ‘ s zou kunnen zijn beïnvloed door genetische liften, we geïdentificeerd biologische processen aanzienlijk verrijkt in de kandidaat-genen die in verband met belangrijke geselecteerde eigenschappen vergeleken met het hele genoom, zoals regulering van de koolhydraten gebruiken, suiker-gemedieerde signalering, koolhydraten metabolisme reactie sucrose stimulus, de regulering van de stikstof-compound metabolisme, cellulaire respons op stikstof honger en groei (Aanvullende Toelichting en Aanvullende Tabellen 16-18).

Roze balken onder de x-as komen overeen met gebieden met 1% significantieniveau van diversiteitsverschil (nmucosospermus/nvulgaris).

het is opmerkelijk dat bepaalde niet-centromere gebieden, vooral een groot gebied op chromosoom 3 (van 3.4 3,4 MB tot 5 5,6 Mb), bijzonder hoge nucleotidedivergentie slechts onder C. lanatus subsp hebben. mucosospermus toetredingen (Fig. 4). In een eerder rapport werd een soortgelijke bevinding beschreven in drie verschillende rijstkruisen, en er werd gesuggereerd dat deze populatiespecifieke regio ‘ s met grote divergentie in hoge mate geassocieerd waren met genen die betrokken zijn bij voortplantingsbarrières.30 We analyseerden genen in de grote regio met grote diversiteit op chromosoom 3 en vonden inderdaad dat de meest significant verrijkte gencategorieën herkenning van pollen en de pollen-stamper interactie waren; beide gencategorieën zijn gerelateerd aan voortplantingsbarrières (aanvullende tabel 19). Daarnaast hebben we vastgesteld dat het gebied een grote cluster van 12 tandemly arrayed s-locus proteïne kinase genen bevat, die betrokken zijn bij reproductieve barriers31. De hoge nucleotidedivergentie van reproductieve barrière genen in C. lanatus subsp. mucosospermus, de recente stamvader van de moderne gecultiveerde watermeloen, geeft aan dat de domesticatie van watermeloen een mogelijke kracht zou kunnen zijn die verantwoordelijk is voor de snelle evolutie van voortplantingsbarrières, zoals is gemeld in rijst30. Bovendien werden de genen die betrokken zijn bij de reactie van planten op abiotische en biotische stress in dit gebied ook aanzienlijk verrijkt, naast genen die verband houden met verschillende bekende geselecteerde eigenschappen zoals koolhydraatmetabolisme, fruitsmaak (terpeenmetabolisme) en zaadoliegehalte (vetzuurmetabolisme) (aanvullende tabel 19).

evolutie van ziekteresistentiegenen in watermeloen

het watermeloengewas lijdt grote verliezen door talrijke ziekten. Daarom is verbetering van de resistentie tegen ziekteverwekkers een voortdurende doelstelling van watermeloen fokprogramma ‘ s. Om de moleculaire basis voor pathogeen gevoeligheid te onderzoeken, zochten we naar drie belangrijke klassen van resistentiegenen in het watermeloen genoom, namelijk de nucleotide-bindingsplaats en leucine-rijke herhaling (NBS-LRR), lipoxygenase (LOX)32 en receptor-achtige gen families33. We identificeerden in totaal 44 NBS-LRR genen, waaronder 18 Toll interleukin receptor (TIR)-NBS-LRR– en 26 coiled-coil (CC)-NBS-LRR–coderende genen (aanvullende Tabel 20). De watermeloen NBS-LRR genen evolueerden onafhankelijk, en we detecteerden geen sequentieuitwisselingen tussen verschillende homologen. Dergelijke evolutionaire patronen zijn vergelijkbaar met die van type II R genen in sla en Arabidopsis34, wat erop wijst dat watermeloen een lage diversiteit aan NBS-LRR genen heeft. Het aantal NBS-LRR-genen in het genoom van watermeloen is vergelijkbaar met dat in komkommer14 en papaya35, maar is aanzienlijk minder dan dat in maize36, rijst37 en apple12. In tegenstelling, heeft de familie van het LOXGEN een uitbreiding in het genoom van de watermeloen met 26 leden ondergaan, waarvan 19 in twee Tandem genarrays (aanvullende Fig. 11). Soortgelijke bevindingen zijn gemeld bij komkommer, waarbij uitbreiding van de lox-genfamilie werd beschouwd als een mogelijk complementair mechanisme om te gaan met pathogeeninvasie14. Verder identificeerden we 197 receptor-achtige genen in het watermeloen genoom, waaronder 35 receptor-achtige eiwitten zonder kinasedomein en 162 receptor-achtige kinasen die naast de extracellulaire LRR-en transmembraandomeinen een intracellulair kinasedomein hebben (aanvullende Tabel 20). Veel van deze resistentiegenen bevinden zich op chromosomen in clusters (aanvullende Fig. 11), suggereert tandem duplicaties als hun evolutionaire basis.Er is gespeculeerd dat het gebrek aan resistentie tegen een breed scala aan ziekten in moderne watermeloen cultivars het gevolg is van de vele jaren van teelt en selectie die gericht zijn op wenselijke fruitkwaliteiten ten koste van ziektebestendigheid 8,38. Om deze notie te testen, voerden we de novo assemblies uit van unmapped reads die elk van de moderne gecultiveerde reads samengevoegd werden (C. lanatus subsp. vulgaris) en halfwild en wild (C. lanatus subsp. mucosospermus en C. lanatus subsp. lanatus, respectievelijk) toetredingen. We identificeerden 11 en 69 genen uit respectievelijk de gecultiveerde en de halfwild en wilde groepen, die homoloog zijn aan bekende plantaardige eiwitten (aanvullende tabel 21). Het is vermeldenswaard dat de 69 nieuwe genen geïdentificeerd uit de semi-wilde en wilde groep waren sterk verrijkt met ziekte-gerelateerde genen, waaronder, 6 TIR-LRR-NBS genen, 1 PR-1 gen en 3 lipoxygenase genen, terwijl geen van de 11 genen geïdentificeerd in de gecultiveerde groep waren ziekte-gerelateerde. Bovendien waren alle 44 NBS-LRR-genen die in het 97103-genoom worden geïdentificeerd ook aanwezig in de halfwild-en wilde toetredingen (aanvullende opmerking). Deze bevindingen ondersteunen de hypothese dat een groot deel van de genen van de ziekteweerstand verloren is gegaan tijdens domesticatie van watermeloen.

analyse van cucurbitfloem sap en vasculaire transcriptomen

het Angiosperm-enucleaatzeef-buissysteem bevat mRNA, waarvan is aangetoond dat sommige functioneren als een langeafstandssignaleringsagent39,40. Door diepe transcriptome sequencing (aanvullende tabel 22), identificeerden we 13,775 en 14,242 mRNA soorten in watermeloen en komkommer vasculaire bundels, respectievelijk, en 1,519 en 1,012 transcripten in de watermeloen en komkommer phloem sap, respectievelijk (aanvullende tabellen 23-26). Met name vonden we dat de gensets in de vasculaire bundels tussen de twee cucurbit-soorten bijna identiek waren, terwijl slechts 50-60% van de transcripten die in het phloem-sap werden gedetecteerd, gemeenschappelijk waren tussen de twee soorten (aanvullende noot en aanvullende tabel 27). Gene Ontology (GO) term enrichment analysis gaf aan dat de belangrijkste categorieën onder de gemeenschappelijke phloem transcripten respons op stress of stimulus waren (aanvullende tabel 28), die volledig consistent is met de centrale rol van het plant vasculaire systeem, en de phloem in het bijzonder, in het lange-afstand communicatiesysteem dat abiotische en biotische stress signalering integreert op het gehele plantenniveau 41. In tegenstelling, identificeerde de analyse van de phloem transcripten die aan watermeloen uniek zijn macromoleculair biosyntheseproces en eiwitmetabolisme als belangrijkste gaan categorieën (aanvullende tabel 29). De unieke phloem sap-afschriften kunnen op gespecialiseerde functies wijzen die uniek zijn voor de rol van phloem in deze species. Het is opmerkelijk dat de watermeloen phloem 118 transcriptiefactoren bevatte, terwijl we slechts 46 transcriptiefactoren in komkommer en 32 transcriptiefactoren identificeerden die gemeenschappelijk waren voor beide (aanvullende tabellen 30-32).

Pompoen (Cucurbita maxima) is gebruikt als modelsysteem voor phloem-studies42,43. We ontwikkelden pompoen vasculaire bundel en phloem sap transcript catalogi door generatie en de novo assemblage van de Illumina paired-end RNA sequencing (RNA-Seq) leest. Vergelijkende analyse van de transcriptomen van de watermeloen, komkommer en pompoen phloem gaf aan dat ongeveer 36% van hun transcripten gemeenschappelijk waren (aanvullende Fig. 12). Deze bewaarde transcripten voeren waarschijnlijk functies uit die centraal staan in de werking van het zeefbuissysteem in de meeste cucurbit-en mogelijk andere soorten.

regulering van de ontwikkeling en kwaliteit van watermeloenfruit

ontwikkeling van Watermeloenfruit is een complex proces met ingrijpende veranderingen in grootte, kleur, textuur, suikergehalte en voedingscomponenten. Om een uitgebreide karakterisering te verkrijgen van de genen die betrokken zijn bij de ontwikkeling en kwaliteit van watermeloen fruit, hebben we streng-specifiek RNA-Seq44 uitgevoerd van zowel het vlees als het zwoerd in vier cruciale stadia van fruitontwikkeling in de inteelt lijn 97103 (aanvullende tabel 33). We identificeerden 3.046 en 558 genen die differentieel werden uitgedrukt in het vlees en het zwoerd, respectievelijk, tijdens de fruitontwikkeling en 5.352 genen die differentieel werden uitgedrukt tussen het vlees en het zwoerd in ten minste een van de vier stadia (aanvullende tabellen 34-36). GO term enrichment analysis toonde aan dat tijdens de ontwikkeling van fruit in zowel het vlees als het zwoerd biologische processen zoals celwand biogenese, flavonoïde metabolisme en afweerreacties significant veranderd waren (false discovery rates (FDR) < 0,01), terwijl carotenoïde, hexose en monosaccharide metabolische processen alleen significant veranderd waren in het vlees, wat belangrijke fysiologische verschillen, waaronder suikergehalte en kleur van het fruit, tussen het vlees en het zwoerd ondersteunde (aanvullende tabel 37).

het suikergehalte is een belangrijke factor bij het bepalen van de kwaliteit van watermeloenvruchten. De zoetheid van een watermeloen wordt bepaald door zowel het totale suikergehalte als de verhoudingen tussen de belangrijkste geaccumuleerde suikers: glucose, fructose en sucrose45. In jong vruchtvlees van 97103 zijn fructose en glucose de belangrijkste suikers, terwijl in volwassen vruchtvlees van 97103 zowel sucrose als het totale suikergehalte aanzienlijk worden verhoogd, waarbij sucrose vervolgens de dominante suiker wordt; in de schil blijft het suikergehalte relatief laag (aanvullende tabel 38). De uiteindelijke suikeraccumulatie in watermeloenvruchten wordt bepaald door het lossen van suiker uit de phloem, gevolgd door opname en metabolisme in het vruchtvlees. Het geannoteerde genoom van de watermeloen bevat in totaal 62 suikermetabole enzymgenen en 76 suiker transporter genen, waaronder 13 suikermetabole genen en 14 suiker transporter genen werden differentieel uitgedrukt tijdens de ontwikkeling van het vlees en tussen het vlees en het zwoerd weefsels (aanvullende tabellen 39 en 40). Op basis van deze resultaten en eerder gepubliceerd werk van andere plantensoorten 46,47,stellen wij een model voor voor het suikermetabolisme in de cellen van vruchtvlees van watermeloen (aanvullende Fig. 13). Tijdens de ontwikkeling van watermeloenvlees functioneren α-galactosidase, onoplosbare zure invertase, neutrale invertase, sucrose fosfaat synthase, UDP-glucose 4-epimerase, oplosbare zure invertase en UDP-galactose/glucose pyrofosforylase als belangrijke enzymen die betrokken zijn bij de regulering van suikerlossing en metabolisme. Bovendien zijn de 14 differentieel uitgedrukte suikervervoerders waarschijnlijk verantwoordelijk voor de verdeling van de suiker (aanvullende opmerking).

transcriptiefactoren spelen ook een rol bij de suikeraccumulatie48. Van de 1,448 vermeende transcriptie factor genen geïdentificeerd in de watermeloen genoom, 193 significante expressie verandert (FDR < 0.01) tijdens vlees ontwikkeling, maar ook in vlees, vergeleken met schil in een later stadium, met inbegrip van transcriptie factoren uit gezinnen bekend betrokken te zijn bij de regulering van de suikers (Aanvullende Toelichting en Aanvullende Tabellen 41 en 42). Het is opmerkelijk dat één bZIP-gen, Cla014572, tijdens de ontwikkeling van het vlees wordt gedegradeerd en het sucrose-gecontroleerde upstream open reading frame (SC-uORF) bevat (aanvullende noot en aanvullende Fig. 14). Onlangs werd gemeld dat transgene planten die de tabak SC-uORF met het bzip-gen tbz17 constitutief tot expressie brengen, maar de SC-uORF ontberen, verhoogde suikerconcentraties49 hadden. Daarom is onze Analyse consistent met een rol voor Cla014572 als een belangrijke regulator van suikeraccumulatie tijdens fruitontwikkeling.

MADS-box genen, zoals MADS-RIN (ook bekend als LeMADS-RIN)50 en TAGL1 (ref. 51) in tomaat, zijn gemeld dat de fruit expansie en rijping processen te reguleren. Fylogenetische analyse van watermeloen, komkommer en Arabidopsis Mads-box transcriptiefactoren, samen met MADS-RIN en TAGL1, identificeerde twee Mads-box transcriptiefactoren van watermeloen in elk van de RIN en AGL1 clades (aanvullende noot en aanvullende Fig. 15). Deze vier genen (Cla000691 en Cla010815 in de RIN clade en Cla009725 en Cla019630 in de AGL1 clade) behoren tot de meest tot expressie gebrachte Mads-box transcriptiefactoren tijdens de fruitontwikkeling (aanvullende tabel 43). In tegenstelling tot MADS-RIN, die alleen in hoge mate tot uitdrukking komt in rijpende vruchten, worden zowel Cla000691 als Cla010815 in hoge mate tot uitdrukking gebracht tijdens de fruitontwikkeling, wat erop wijst dat zij zich hadden kunnen ontwikkelen om naast het rijpen ook aan andere functies deel te nemen. Het is opmerkelijk in dit verband dat nauwe bananen-en aardbeienhomologen van MADS-RIN ook expressie en/of functionele activiteiten vertonen die verder reiken dan de rijpende vrucht52,53. De expressieprofielen van Cla009725 en Cla019630 tijdens de ontwikkeling van fruit zijn vergelijkbaar met die van TAGL1, die consistent zijn met hun potentiële rol bij het reguleren van de uitzetting en rijping van fruit51.Citrulline is een niet-essentieel aminozuur geproduceerd uit glutamine en heeft verschillende voordelen voor de gezondheid en atletische prestaties. De naam is afgeleid van citrullus, het Latijnse woord voor watermeloen, waarvan het voor het eerst isoleerd54. Watermeloenvlees en schil dienen als een natuurlijke bron van citrulline, en de overvloed neemt aanzienlijk toe tijdens de rijping van de vrucht, maar dan afneemt als de vrucht wordt overrijp (aanvullende Fig. 16). Op basis van onze annotatie van het genoom van de watermeloen, identificeerden we 14 genen in de citrulline metabole route (aanvullende Fig. 17). Vergeleken met de Arabidopsis citrulline metabole route, heeft deze route in watermeloen expansie ondergaan in de arginosuccinase en arginosuccinate synthase families. Beide zijn betrokken bij het omzetten van citrulline naar L-arginine. We ontdekten dat een arginosuccinase en twee arginosuccinaatsynthase genen zeer downregulated waren tijdens de ontwikkeling van watermeloenvlees (aanvullende tabel 44). Zo is de ophoping van citrulline in het rijpende vruchtvlees waarschijnlijk het gevolg van verminderde activiteit van citrullinedegradatie.