Proiectul genomului de pepene verde (Citrullus lanatus) și resecvența a 20 de aderări diverse

secvențierea și asamblarea genomului

am selectat linia consangvină pepene verde de elită chineză 97103 pentru secvențierea genomului. Am generat un total de 46,18 Gb de secvență genomică de înaltă calitate folosind tehnologia de secvențiere Illumina (tabelul suplimentar 1), reprezentând 108.Acoperire de 6 ori a întregului genom de pepene verde, care are o dimensiune estimată a genomului de 425 MB de 425 Mb pe baza analizei noastre de distribuție a adâncimii de 17 mer a citirilor secvențiate (Fig suplimentar. 1) și o analiză anterioară a citometriei în flux9. Adunarea de novo a Illumina reads a dus la o asamblare finală de 353,5 Mb, reprezentând 83,2% din genomul pepenilor verzi. Ansamblul este format din 1.793 schele (500 BP) cu lungimi N50 de 2,38 Mb și 26,38 kb pentru schele și contiguri, respectiv (tabelul suplimentar 2). Un total de 234 de schele care acoperă aproximativ 330 Mb (93.5% din genomul asamblat) au fost ancorate la cei 11 cromozomi pepene verde, dintre care 126 și 94 schele reprezentând 70% și 65% din genomul asamblat au fost ordonate și orientate, respectiv10.

am căutat să determinăm de ce 16,8% din genom nu a fost acoperit de ansamblul genomului nostru prin alinierea citirilor neasamblate (17,4% din totalul citirilor) la genomul asamblat cu criterii mai puțin stricte (notă suplimentară și tabelul suplimentar 3). Am constatat că regiunile genomului neasamblate sunt compuse în principal din secvențe care sunt similare cu cele ale regiunilor asamblate. Distribuția citirilor neasamblate pe cromozomii pepene verde a arătat același model ca cel pentru elementele transpozabile (Fig. 1a și suplimentare Fig. 2). Am identificat trei unități repetate majore din secvențele neasamblate pe baza adâncimilor de citire substanțiale și a asemănărilor secvenței cu centromerii, telomerii și clusterele ADN ribozomal (ADNR). Am confirmat în continuare natura acestor repetări de către pești (Fig. 1b-d). Împreună, aceste rezultate susțin ideea că subestimarea proporției repetate are un rol important în componenta neasamblată a ansamblurilor genomului de novo, în special a celor generate folosind tehnologii de secvențiere de generație următoare11,12,13,14,15,16,17,18.

(a) distribuția citirilor neasamblate pe cromozomul 1. Distribuția citirilor neasamblate pe ceilalți zece cromozomi este prezentată în figura suplimentară 2. TEs, elemente transpozabile. (b) pești de cromozomi de pepene verde colorați cu 4′-6-diamidino-2-fenilindol (dapi, albastru) folosind sonde din unități repetate similare centromerului (roz). (c) pești care utilizează sonde din unități repetate similare telomerilor (roșii). (d) pești care utilizează sonde din unități repetate similare cu ADNR-urile (Verde, 45s; roz, 5S). Scale bars, 5 unftm.

am evaluat în continuare calitatea genomului pepene verde asamblat folosind aproximativ un milion de Est-uri, patru bac-uri complet secvențiate și secvențe pereche de 667 clone BAC. Analizele noastre au susținut calitatea înaltă a ansamblului genomului pepenilor verzi (notă suplimentară, tabele suplimentare 4-6 și smochine suplimentare. 3 și 4), care este comparabil favorabil cu alte câteva genomuri de plante publicate recent11,12,13,14,15,16,17,18 utilizarea tehnologiilor de secvențiere de generație următoare (Tabelul 1).

adnotarea secvenței repetate și predicția genelor

elementele transpozabile sunt componente majore ale genomului eucariot. Am identificat un total de 159,8 Mb (45,2%) din genomul pepene verde asamblat ca repetiții ale elementului transpozabil. Dintre aceste repetări, 68,3% ar putea fi adnotate cu familii repetate cunoscute. Retrotranspozoanele repetate terminale lungi (LTR), în principal Ltr-uri de tip țigan și copie, sunt predominante. Distribuția ratelor de divergență a elementelor transpozabile a arătat un vârf la 32% (suplimentar Fig. 5). Am identificat în continuare 920 (7,8 Mb) retrotranspozoni lTR de lungime completă în genomul pepenilor verzi. Am constatat că, în ultimii 4,5 milioane de ani, retrotranspozonii LTR s-au acumulat mult mai repede în pepene verde decât în castravete14 (Fig suplimentar. 6) astfel încât diferența generală în dimensiunile genomului lor poate reflecta acumularea diferențială ltr retrotransposon.

am prezis 23.440 de gene care codifică proteine de înaltă încredere în genomul pepenilor verzi (tabelul suplimentar 7), care este aproape de numărul de gene prezise în genomul castravetilor19. Aproximativ 85% din genele prezise de pepene verde aveau fie omologi cunoscuți, fie puteau fi clasificați funcțional (tabelul suplimentar 8). În plus, am identificat și 123 ARN ribozomal( ARNr), 789 ARN de transfer, 335 ARN nuclear mic și 141 gene microARN (tabelul suplimentar 9).

în conformitate cu genomurile plantelor raportate anterior, genele care codifică proteinele de pepene verde au arătat un model clar de îmbogățire în regiunile subtelomerice. În schimb, fracțiunea genomului legată de elementul transpozabil a fost localizată în principal în regiunile pericentromerice și centromerice. Brațele scurte ale cromozomilor 4, 8 și 11 sunt foarte îmbogățite cu secvențe repetate (Fig suplimentar. 7). Genomul 97103 conținea un 5s și două 45s ADNR clustere pe brațul scurt de cromozomi 4 și 8 (ref. 10). Folosind pește, am investigat în continuare modelele ADNR în genomii a 20 de aderări reprezentative la pepene verde (tabelul suplimentar 10). Numărul și localizarea siturilor ADNR 5s și 45s în genomul celor zece cultivate moderne (C. lanatus subsp. vulgaris) și șase pepene semiwild (C. lanatus subsp. mucosospermus) au fost identice cu cele din genomul 97103, în timp ce genomii celor patru pepene sălbatic înrudit mai îndepărtat (C. lanatus subsp. lanatus) conținea un situs ADNR 45S și două 5s, cu situsul ADNR 5S suplimentar pe brațul scurt al cromozomului 11 (Fig suplimentar. 8). Aceste rezultate indică faptul că fuziunea cromozomială, fisiunea și transpunerea ADNR ar putea apărea în timpul evoluției speciei C. lanatus. Analiza noastră a confirmat, de asemenea, relația filogenetică a acestor trei subspecii pepene20 și a susținut ipoteza că C. lanatus subsp. mucosospermus este strămoșul recent al C. lanatus subsp. vulgaris.

evoluția genomului Cucurbit

duplicarea la nivel de genom în angiosperme este comună și reprezintă un mecanism molecular important care a modelat cariotipurile vegetale moderne. În genomul pepene verde, am identificat șapte triplări majore care corespundeau 302 relații paraloge care acoperă 29% din genom (Fig. 2a). Aceste triplicate ancestrale corespundeau evenimentului de paleohexaploidizare partajat (denumit în continuare inkt) raportat pentru eudicots21 care datează de acum 76-130 de milioane de ani. Acest lucru ar fi cu mult înainte de evenimentul de speciație a genomului cucurbit care a avut loc acum 15-23 milioane de ani (Fig suplimentar. 9).

(a) Reprezentarea schematică a perechilor paraloge identificate în genomul pepene verde (cromozomii w1–w11). Fiecare linie reprezintă o regiune sintenică. Culorile diferite reflectă originea celor șapte cariotipuri cromozomiale eudicot ancestrale (A1, A4, A7, A10, A13, A16 și A19). (b) Reprezentarea schematică a sinteniilor între pepene verde (cromozomii 1-11), castraveți (cromozomii 1-7) și genomi de pepene galben (grupuri de legătură (LG) 1-12). Fiecare linie reprezintă o regiune sintenică. Synteny partajat între două dintre cele trei specii este legat de o linie gri deschis. (c) evoluția genomului pepene verde (w1–w11 în partea de jos) de la strămoșii genomului eudicot comun ai șapte cromozomi (A1, A4, A7, A10, A13, A16 și A19) și derivatul paleohexaploid n = 21 (A1–A21) strămoș intermediar. Blocurile colorate reprezintă evoluția segmentelor de la strămoșii cu 7 sau 21 de cromozomi pentru a ajunge la structura modernă a genomului pepene verde. Cele 172 de fuziuni și fisiuni cromozomiale sunt evidențiate cu săgeți colorate. Te, element transpozabil; WGD, duplicarea întregului genom.

pentru a accesa natura evenimentelor evolutive care conduc la structuri moderne ale genomului cucurbit, am analizat relațiile sintenice dintre pepene verde, castravete19, melon22 și struguri21. Am ales strugurii ca referință, deoarece se știe că este cea mai apropiată rudă cu strămoșul eudicot structurat în șapte protocromozome23. Am identificat un total de 3.543 de relații ortologice care acoperă 60% din genomul pepenilor verzi. Am investigat apoi relațiile detaliate cromozom-cromozom în cadrul familiei Cucurbitaceae și am identificat cromozomi ortologi între pepene verde, castravete și pepene galben (Fig. 2b). Modelele sintenice complicate ilustrate ca relații ortologice cromozom-cromozom mozaic au dezvăluit un grad ridicat de complexitate a evoluției și rearanjării cromozomiale între aceste trei specii importante de culturi din familia Cucurbitaceae.

integrarea analizelor independente ale duplicărilor și sinteniilor dintre cele patru genomi eudicot (pepene verde, castravete, pepene galben și struguri) a condus la caracterizarea precisă în pepene verde a celor șapte paleotriplicații identificate recent ca bază pentru definirea a șapte grupuri cromozomiale ancestrale în eudicote24. Pe baza hexaploidizării ancestrale (XV) raportată pentru eudicoți, propunem un scenariu evolutiv care a modelat cei 11 cromozomi pepene verde de la strămoșii eudicot cu 7 cromozomi prin cei 21 de intermediari paleohexaploizi. Sugerăm că tranziția de la strămoșii intermediari eudicot cu 21 de cromozomi a implicat 81 de fisiuni și 91 de fuziuni pentru a ajunge la structura modernă de 11 cromozomi de pepene verde, care este reprezentată ca un mozaic de 102 blocuri ancestrale (Fig. 2c).

evaluarea diversității genetice în germoplasma pepene verde

am selectat 20 de aderări reprezentative la pepene verde pentru resecvența genomului. Acestea au inclus zece aderări cultivate reprezentând soiurile majore ale C. lanatus subsp. vulgaris (cinci ecotipuri din Asia de Est și cinci America), șase semiwild C. lanatus subsp. mucosospermus și patru sălbatice C. lanatus subsp. lanatus (tabelul suplimentar 10 și Fig. 10). Am secvențiat aceste aderări la o acoperire cuprinsă între 5 și 16 centimetrii și am cartografiat citirile scurte la genomul din 97103 (tabelul suplimentar 11). Am identificat un total de 6.784.860 SNP-uri candidate și 965.006 inserții/ștergeri mici (indels) dintre cele 20 de linii resecvenționate și 97103. Variațiile majore au existat între C. lanatus subsp. lanatus și celelalte două subspecii, întrucât variația în pepene verde cultivat, în special C. lanatus subsp. ecotipul vulgaris America, a fost relativ scăzut (tabelul suplimentar 12). Precizia apelurilor noastre SNP și indel au fost de 99,3% și, respectiv, 98%, după cum indică secvențierea Sanger (notă suplimentară și tabelul suplimentar 13). Acest set extins de date privind variația genomului pepenilor verzi, care acoperă un spectru larg de diversitate genetică a pepenilor verzi, reprezintă o resursă valoroasă pentru descoperirea biologică și îmbunătățirea germoplasmei.

am evaluat diversitatea genetică a populației de pepene verde folosind două statistici sumare comune, valori de la centimetri25. Cantitatea estimată de diversitate în pepene verde (tabelul suplimentar 14) a fost substanțial mai mică decât cea găsită în maize26, soia27 și orez28. Pepenele sălbatic conține o diversitate genetică mai mare, indicând o oportunitate genetică suplimentară pentru îmbunătățirea pepenelui verde. De asemenea, am investigat structura populației și relațiile dintre aderările la pepene verde prin construirea unui copac vecin (Fig. 3a) și analiza componentelor principale (PCA) (Fig. 3b). Ambele analize au indicat relația strânsă dintre C. lanatus subsp. vulgaris și C. lanatus subsp. mucosospermus (notă suplimentară). Analiza suplimentară a structurii populației utilizând programul FRAPPE 29 cu K (numărul de populații) stabilit de la 2 la 5 a identificat un nou subgrup în cadrul C. lanatus subsp. grupul mucosospermus (când K = 5) și amestecurile dintre C. lanatus subsp. vulgaris și C. lanatus subsp. mucosospermus (Fig. 3C și notă suplimentară). Noul subgrup prezintă câteva caracteristici ale pepenelui cultivat, cum ar fi textura moale a cărnii, culoarea roz a cărnii și conținutul relativ ridicat de zahăr (tabelul suplimentar 10 și Fig suplimentar. 10). Împreună, aceste rezultate oferă un sprijin suplimentar pentru scenariul nostru evolutiv propus de C. lanatus subsp. mucosospermus la C. lanatus subsp. vulgaris derivat din analiza peștilor distribuției ADNR cromozomiale.

(a) vecin-aderarea arborelui filogenetic al aderărilor pepene verde pe baza SNP-urilor. (b) analiza APC a aderărilor la pepene verde utilizând SNP ca markeri. C. lanatus subsp. vulgaris Asia de Est și America ecotipuri și C. lanatus subsp. aderările mucosospermului se grupează împreună (săgeată) și sunt aproape indistinguizabile. (c) Structura populației de aderări pepene verde. Fiecare culoare reprezintă o populație, fiecare aderare este reprezentată de o bară verticală, iar lungimea fiecărui segment colorat din fiecare bară verticală reprezintă proporția contribuită de populațiile ancestrale. Sunt prezentate imagini reprezentative de pepene verde din fiecare subspecie sau ecotip.

apoi am scanat genomul pentru regiunile cu cele mai mari diferențe de diversitate genetică (nmucosospermus/nvulgaris) între C. lanatus subsp. mucosospermus și C. lanatus subsp. vulgaris. Aceste regiuni reprezintă potențiale măturări selective în timpul domesticirii pepenilor verzi, deoarece se crede că soiurile moderne de pepene verde au fost domesticite din C. lanatus subsp. mucosospermus. Am identificat un total de 108 regiuni (7,78 Mb în dimensiune) conținând 741 gene candidate (Fig. 4 și tabelul suplimentar 15). Deși complementele genetice din aceste regiuni ar fi putut fi afectate de autostopul genetic, am identificat procese biologice îmbogățite semnificativ în gene candidate care au fost legate de trăsături selectate importante în comparație cu întregul genom, inclusiv reglarea utilizării carbohidraților, semnalizarea mediată de zahăr, metabolismul carbohidraților, răspunsul la stimulul zaharozei, reglarea metabolismului compusului azot, răspunsul celular la înfometarea și creșterea azotului (notă suplimentară și tabelele suplimentare 16-18).

barele roz sub axa x corespund regiunilor cu un nivel de semnificație de 1% al diferenței de diversitate (nmucosospermus/nvulgaris).

este de remarcat faptul că anumite regiuni noncentromerice, în special o regiune mare pe cromozomul 3 (de la 3,4 MB la 5,6 Mb), au o divergență nucleotidică deosebit de mare numai între C. lanatus subsp. aderări la mucosospermus (Fig. 4). Un raport anterior a descris o constatare similară în trei cruci de orez diferite și s-a sugerat că aceste regiuni cu divergență ridicată specifice populației au fost puternic asociate cu genele implicate în barierele de reproducere30. Am analizat genele din regiunea mare de mare diversitate de pe cromozomul 3 și, într-adevăr, am constatat că cele mai semnificativ îmbogățite categorii de gene au fost recunoașterea polenului și interacțiunea polen-pistil; ambele categorii de gene sunt legate de barierele reproductive (tabelul suplimentar 19). În plus, am stabilit că regiunea conținea un grup mare de 12 gene de protein kinază s-Locus tandem, care sunt implicate în barierele de reproducere31. Divergența nucleotidică ridicată a genelor barieră reproductivă în C. lanatus subsp. mucosospermus, progenitorul recent al pepenelui verde cultivat modern, indică faptul că domesticirea pepenelui verde ar putea fi o posibilă forță responsabilă de evoluția rapidă a barierelor reproductive, așa cum s-a raportat în orez30. În plus, genele implicate în răspunsurile plantelor la stresurile abiotice și biotice au fost, de asemenea, îmbogățite semnificativ în această regiune, pe lângă genele legate de mai multe trăsături selectate cunoscute, cum ar fi metabolismul carbohidraților, aroma fructelor (metabolismul terpenei) și conținutul de ulei de semințe (metabolismul acizilor grași) (tabelul suplimentar 19).

evoluția genelor de rezistență la boli la pepene verde

cultura de pepene verde suferă pierderi majore din cauza numeroaselor boli. Prin urmare, îmbunătățirea rezistenței la agenți patogeni este un obiectiv continuu al programelor de reproducere a pepenilor verzi. Pentru a investiga baza moleculară a susceptibilității agenților patogeni, am căutat trei clase majore de gene de rezistență în genomul pepenilor verzi, și anume situsul de legare a nucleotidelor și repetarea bogată în leucină (NBS-LRR), lipoxigenaza (LOX)32 și familiile genei asemănătoare receptorului33. Am identificat un total de 44 de gene NBS-LRR, inclusiv 18 gene care codifică receptorul interleukinei Toll (TIR)-NBS-LRR– și 26 de gene care codifică bobina înfășurată (CC)-NBS-LRR (tabelul suplimentar 20). Genele pepene verde NBS-LRR au evoluat independent și nu am detectat schimburi de secvențe între diferiți omologi. Astfel de modele evolutive sunt similare cu cele ale genelor r de tip II din salată și Arabidopsis34, indicând faptul că pepenele verde are o diversitate scăzută de gene NBS-LRR. Numărul genelor NBS-LRR din genomul pepenilor verzi este similar cu cel din castravete14 și papaya35, dar este considerabil mai mic decât cel din maize36, rice37 și apple12. În schimb, familia genei LOX a suferit o expansiune a genomului pepene verde cu 26 de membri, dintre care 19 sunt aranjați în două matrice de gene tandem (Fig suplimentar. 11). Constatări similare au fost raportate la castraveți, extinderea familiei de gene LOX fiind considerată ca un posibil mecanism complementar pentru a face față invaziei patogene14. Am identificat în continuare 197 de gene asemănătoare receptorilor în genomul pepene verde, dintre care 35 codifică proteine asemănătoare receptorilor care nu au un domeniu kinază și 162 codifică kinaze asemănătoare receptorilor care au un domeniu kinază intracelular în plus față de domeniile extracelulare LRR și transmembranare (tabelul suplimentar 20). Multe dintre aceste gene de rezistență sunt localizate pe cromozomi în grupuri(Fig suplimentar. 11), sugerând duplicări în tandem ca bază evolutivă a acestora.

s-a speculat că lipsa rezistenței la o gamă largă de boli în soiurile moderne de pepene verde este rezultatul multor ani de cultivare și selecție care s-au concentrat pe calitățile dorite ale fructelor în detrimentul rezistenței la boli8,38. Pentru a testa această noțiune, am realizat ansambluri de novo de citiri nemapate grupate fiecare din cultivate moderne (C. lanatus subsp. vulgaris) și semiwild și sălbatic (C. lanatus subsp. mucosospermus și C. lanatus subsp. lanatus, respectiv) aderări. Am identificat 11 și 69 de gene din grupurile cultivate, respectiv semiwild și wild, care sunt omoloage proteinelor vegetale cunoscute (tabelul suplimentar 21). Merită menționat aici că cele 69 de gene noi identificate din grupul semiwild și wild au fost foarte îmbogățite cu gene legate de boală, inclusiv 6 gene TIR-LRR-BNS, 1 genă PR-1 și 3 gene lipoxigenază, în timp ce niciuna dintre cele 11 gene identificate în grupul cultivat nu a fost legată de boală. În plus, toate cele 44 de gene NBS-LRR identificate în genomul 97103 au fost prezente și în aderările semiwild și wild (notă suplimentară). Aceste descoperiri susțin ipoteza că o mare parte din genele de rezistență la boli s-au pierdut în timpul domesticirii pepenilor verzi.

analiza seva floemului cucurbit și a transcriptomilor vasculari

sistemul de tuburi cu sită enucleată angiospermă conține ARNm, dintre care unele s-au dovedit a funcționa ca agent de semnalizare pe distanțe lungi39,40. Prin secvențierea transcriptomelor profunde (tabelul suplimentar 22), am identificat 13.775 și 14.242 specii de ARNm în mănunchiuri vasculare de pepene verde și castravete, respectiv 1.519 și 1.012 transcrieri în seva de pepene verde și, respectiv, de phloem de castravete (tabelele suplimentare 23-26). În special, am constatat că seturile de gene din fasciculele vasculare dintre cele două specii de cucurbit erau aproape identice, în timp ce doar 50-60% din transcrierile detectate în seva floemului erau comune între cele două specii (notă suplimentară și tabelul suplimentar 27). Analiza îmbogățirii pe termen lung a ontologiei genetice (GO) a indicat că principalele categorii dintre transcrierile comune ale floemului au fost răspunsul la stres sau stimul (tabelul suplimentar 28), care este pe deplin în concordanță cu rolul central al sistemului vascular al plantei și, în special, al floemului în sistemul de comunicare pe distanțe lungi care integrează semnalizarea stresului abiotic și biotic la nivelul întregii plante41. În schimb, analiza transcrierilor floemului care sunt unice pentru pepene verde a identificat procesul de biosinteză macromoleculară și procesul metabolic al proteinelor ca fiind principalele categorii GO (tabelul suplimentar 29). Transcrierile unice de seva de floem pot reflecta funcții specializate care sunt unice rolului floemului la aceste specii. Este de remarcat faptul că floemul de pepene verde conținea 118 factori de transcripție, în timp ce am identificat doar 46 de factori de transcripție în castravete și 32 de factori de transcripție care erau comuni ambelor (tabelele suplimentare 30-32).

dovleacul (Cucurbita maxima) a fost utilizat ca model de sistem pentru studiile de floem42,43. Am dezvoltat dovleac vasculare bundle și phloem SAP transcriere cataloage prin generarea și de novo asamblare a Illumina paired-end ARN secvențierea (ARN-Seq) citește. Analiza comparativă a transcriptomelor phloemului de pepene verde, castravete și dovleac a indicat că aproximativ 36% Din transcrierile lor erau în comun (suplimentar Fig. 12). Aceste transcrieri conservate îndeplinesc probabil funcții care sunt esențiale pentru funcționarea sistemului de tuburi de sită la majoritatea cucurbitelor și, eventual, la specii suplimentare.

reglementarea dezvoltării și calității fructelor de pepene verde

dezvoltarea fructelor de pepene verde este un proces complex care implică schimbări majore în dimensiune, culoare, textură, conținut de zahăr și componente nutriționale. Pentru a obține o caracterizare cuprinzătoare a genelor implicate în dezvoltarea și calitatea fructelor de pepene verde, am efectuat ARN-Seq44 specific catenei atât a cărnii, cât și a cojii în patru etape cruciale ale dezvoltării fructelor în linia consangvină 97103 (tabelul suplimentar 33). Am identificat 3.046 și 558 de gene care au fost exprimate diferențiat în carne și, respectiv, în coajă, în timpul dezvoltării fructelor și 5.352 de gene care au fost exprimate diferențiat între carne și coajă în cel puțin una dintre cele patru etape (tabelele suplimentare 34-36). Analiza îmbogățirii pe termen lung a go a indicat că în timpul dezvoltării fructelor atât în carne, cât și în coajă, procesele biologice, cum ar fi biogeneza peretelui celular, metabolismul flavonoidelor și răspunsurile de apărare au fost modificate semnificativ (rate de descoperire falsă (FDR) < 0,01), în timp ce procesele metabolice carotenoide, hexoză și monozaharide au fost modificate semnificativ doar în carne, susținând diferențe fiziologice majore, inclusiv conținutul de zahăr și culoarea fructelor, între carne și coajă (tabelul suplimentar 37).

conținutul de zahăr este un factor cheie în determinarea calității fructelor de pepene verde. Dulceața unui pepene verde este determinată atât de conținutul total de zahăr, cât și de raporturile dintre principalele zaharuri acumulate: glucoză, fructoză și sucroză45. La carnea de fructe tânără 97103, fructoza și glucoza sunt zaharurile predominante, în timp ce la carnea de fructe matură 97103, atât zaharoza, cât și conținutul total de zahăr sunt substanțial crescute, zaharoza devenind apoi zahărul dominant; în coajă, conținutul de zahăr rămâne relativ scăzut (tabelul suplimentar 38). Acumularea finală de zahăr în fructele de pepene verde este determinată de descărcarea zahărului din floem urmată de absorbția și metabolismul în carnea de fructe. Genomul pepene verde adnotat conține un total de 62 de gene enzimatice metabolice ale zahărului și 76 de gene transportoare de zahăr, dintre care 13 gene metabolice ale zahărului și 14 gene transportoare de zahăr au fost exprimate diferențiat în timpul dezvoltării cărnii și între țesuturile cărnii și coajă (tabelele suplimentare 39 și 40). Pe baza acestor rezultate și a lucrărilor publicate anterior din alte specii de plante46,47, propunem un model de metabolizare a zahărului în celulele pulpei de fructe de pepene verde (suplimentar Fig. 13). Mai exact, în timpul dezvoltării cărnii de pepene verde, galactozidaza, invertaza acidului insolubil, invertaza neutră, zaharoza fosfat sintază, UDP-glucoza 4-epimeraza, invertaza acidului solubil și PIROFOSFORILAZA UDP-galactoză/glucoză funcționează ca enzime cheie implicate în reglarea descărcării și metabolismului zahărului. În plus, cei 14 transportori de zahăr exprimați diferențiat sunt probabil responsabili pentru împărțirea zahărului (notă suplimentară).

factorii de transcripție au, de asemenea, un rol în acumularea zahărului48. Din cele 1.448 de gene ale factorului de transcripție presupus identificate în genomul pepenei, 193 au prezentat modificări semnificative ale expresiei (FDR < 0,01) în timpul dezvoltării cărnii și, de asemenea, în carne comparativ cu coaja în etapele ulterioare, inclusiv factori de transcripție din familii cunoscute a fi implicate în reglarea acumulării zahărului (notă suplimentară și tabele suplimentare 41 și 42). Este de remarcat faptul că o genă bzip, Cla014572, este reglată în jos în timpul dezvoltării cărnii și conține cadrul de citire deschis în amonte controlat cu zaharoză (SC-uORF) (notă suplimentară și Fig suplimentar. 14). S-a raportat recent că plantele transgenice care exprimă constitutiv tutunul SC-uORF care conține gena bzip tbz17, dar care nu are SC-uORF, au crescut concentrațiile de zahăr49. Prin urmare, analiza noastră este în concordanță cu un rol pentru Cla014572 ca regulator cheie al acumulării zahărului în timpul dezvoltării fructelor.

MADS-Box gene, cum ar fi MADS-RIN (de asemenea, cunoscut sub numele de LeMADS-RIN)50 și TAGL1 (ref. 51) în tomate, au fost raportate pentru a reglementa expansiunea fructelor și procesele de maturare. Analiza filogenetică a factorilor de transcripție MADS-box de pepene verde, castravete și Arabidopsis, împreună cu MADS-RIN și TAGL1, au identificat doi factori de transcripție MADS-box din pepene verde în fiecare dintre cladele RIN și AGL1 (notă suplimentară și suplimentară Fig. 15). Aceste patru gene (Cla000691 și Cla010815 în clada RIN și Cla009725 și Cla019630 în clada AGL1) se numără printre cei mai exprimați factori de transcripție MADS-box în timpul dezvoltării fructelor (tabelul suplimentar 43). În special, spre deosebire de MADS-RIN, care se exprimă foarte mult doar în coacerea fructelor, atât Cla000691, cât și Cla010815 sunt foarte exprimate pe tot parcursul dezvoltării fructelor, indicând că ar fi putut evolua pentru a participa la alte funcții pe lângă coacere. Este demn de remarcat în acest sens că omologii apropiați de banane și căpșuni ai MADS-RIN prezintă,de asemenea, activități de expresie și/sau funcționale care se extind dincolo de fructele de maturare52, 53. Profilurile de Expresie ale Cla009725 și Cla019630 în timpul dezvoltării fructelor sunt similare cu cele ale TAGL1, care sunt în concordanță cu rolurile lor potențiale în reglarea expansiunii și coacerii fructelor51.

citrulina este un aminoacid neesențial produs din glutamină și are diverse beneficii pentru sănătate și performanțe atletice. Numele său este derivat din citrullus, cuvântul Latin pentru pepene verde, din care a fost izolat pentru prima dată54. Carnea și coaja de pepene verde servesc ca sursă naturală de citrulină, iar abundența sa crește substanțial în timpul maturării fructelor, dar apoi scade pe măsură ce fructul devine prea copt (Fig suplimentar. 16). Pe baza adnotării noastre a genomului pepene verde, am identificat 14 gene în calea metabolică a citrulinei(Fig suplimentar. 17). În comparație cu calea metabolică a citrulinei Arabidopsis, această cale în pepene verde a suferit o expansiune în familiile arginosuccinazei și arginosuccinatului sintazei. Ambele sunt implicate în transformarea citrulinei în L-arginină. Am găsit o arginosuccinază și două gene de arginosuccinat sintază care să fie puternic reglate în timpul dezvoltării cărnii de pepene verde (tabelul suplimentar 44). Astfel, acumularea citrulinei în carnea de fructe de maturare este probabil un rezultat al activităților scăzute de degradare a citrulinei.