utkastet till genom av vattenmelon (Citrullus lanatus) och resequencing av 20 olika anslutningar

genomsekvensering och montering

vi valde den kinesiska eliten vattenmelon inavlad linje 97103 för genomsekvensering. Vi genererade totalt 46.18 Gb genomisk sekvens av hög kvalitet med hjälp av Illumina-sekvenseringsteknik (kompletterande Tabell 1), som representerar 108.6-faldig täckning av hela vattenmelongenomet, som har en uppskattad genomstorlek på 425 MB på grundval av vår 17-mer djupfördelningsanalys av sekvenserade läsningar (kompletterande Fig. 1) och en tidigare flödescytometrianalys9. De novo montering av Illumina läser resulterade i en slutmontering av 353.5 Mb, vilket representerar 83.2% av vattenmelongenomet. Aggregatet består av 1 793 byggnadsställningar (500 BP) med N50-längder på 2,38 Mb respektive 26,38 kb för byggnadsställningar respektive contigs (Tilläggstabell 2). Totalt 234 ställningar som täcker cirka 330 Mb (93.5% av det sammansatta genomet) förankrades till de 11 vattenmelonkromosomerna, bland vilka 126 och 94 ställningar som svarade för 70% och 65% av det sammansatta genomet beställdes och orienterades, respektivt10.

vi försökte bestämma varför 16.8% av genomet inte täcktes av vår genommontering genom att anpassa omonterade läsningar (17.4% av den totala läsningen) till det sammansatta genomet med mindre stränga kriterier (kompletterande anmärkning och kompletterande tabell 3). Vi fann att de omonterade genomregionerna huvudsakligen består av sekvenser som liknar de i de sammansatta regionerna. Fördelningen av de omonterade läsningarna på vattenmelonkromosomerna visade samma mönster som för transponerbara element (Fig. 1a och kompletterande Fig. 2). Vi identifierade tre stora upprepningsenheter från de omonterade sekvenserna på grundval av deras betydande läsdjup och sekvenslikheter med centromerer, telomerer och ribosomala DNA-kluster (rDNA). Vi bekräftade vidare arten av dessa upprepningar av fisk (Fig. 1b-d). Tillsammans stöder dessa resultat uppfattningen att underskattning av upprepningsandelen har en viktig roll i den omonterade komponenten i de novo-genomaggregat, särskilt de som genereras med hjälp av nästa generations sekvenseringsteknik11,12,13,14,15,16,17,18.

(a) fördelning av omonterade läsningar på kromosom 1. Fördelningen av omonterade läsningar på de andra tio kromosomerna visas i kompletterande Figur 2. Tes, transponerbara element. (B) fisk av vattenmelonkromosomer färgade med 4′-6-diamidino-2-fenylindol (DAPI, blå) med hjälp av sonder från upprepade enheter som liknar centromeren (rosa). C) fisk med hjälp av sonder från upprepade enheter som liknar telomeren (röd). D) fisk med hjälp av sonder från upprepade enheter som liknar rdna (grön, 45s, rosa, 5S). Skala barer, 5 oc. m.

vi utvärderade vidare kvaliteten på det sammansatta vattenmelongenomet med cirka en miljon Ester, fyra fullständigt sekvenserade BACs och parade slutsekvenser av 667 BAC-kloner. Våra analyser stödde den höga kvaliteten på vattenmelongenomet (kompletterande anmärkning, kompletterande tabeller 4-6 och kompletterande fikon. 3 och 4), vilket är positivt jämförbart med flera andra nyligen publicerade växtgenomer11,12,13,14,15,16,17,18 använda nästa generations sekvenseringsteknik (Tabell 1).

upprepa sekvensanteckning och genförutsägelse

transponerbara element är viktiga komponenter i eukaryota genom. Vi identifierade totalt 159,8 Mb (45,2%) av det sammansatta vattenmelongenomet som transponerbara elementupprepningar. Bland dessa upprepningar kunde 68,3% kommenteras med kända upprepade familjer. Den långa terminalrepetitionen (LTR) retrotransposons, främst Gypsy-typ och Copia-Typ ltr, är dominerande. Fördelningen av transponerbara elementdivergenshastigheter visade en topp vid 32% (kompletterande Fig. 5). Vi identifierade vidare 920 (7,8 Mb) LTR-retrotransposoner i full längd i vattenmelongenomet. Vi fann att LTR retrotransposons under de senaste 4,5 miljoner åren ackumulerades mycket snabbare i vattenmelon än i gurka14 (kompletterande Fig. 6) så att den totala skillnaden i deras genomstorlekar kan återspegla den differentiella LTR retrotransposonackumuleringen.

vi förutspådde 23 440 proteinkodande gener med hög förtroende i vattenmelongenomet (kompletterande Tabell 7), vilket ligger nära antalet gener som förutses i gurkagenomet19. Cirka 85% av de vattenmelonspådda generna hade antingen kända homologer eller kunde klassificeras funktionellt (Tilläggstabell 8). Dessutom identifierade vi också 123 ribosomalt RNA (rRNA), 789 överförings-RNA, 335 små nukleära RNA och 141 mikroRNA-gener (kompletterande Tabell 9).

i enlighet med tidigare rapporterade växtgenomer visade de vattenmelonproteinkodande generna ett tydligt anrikningsmönster inom subtelomera regioner. Däremot lokaliserades den transponerbara elementrelaterade fraktionen av genomet främst inom de pericentromera och centromera regionerna. De korta armarna på kromosomerna 4, 8 och 11 är mycket berikade med upprepade sekvenser (kompletterande Fig. 7). 97103 genomet innehöll en 5S och två 45s rDNA kluster på den korta armen av kromosomer 4 och 8 (ref. 10). Med hjälp av fisk undersökte vi vidare rDNA-mönster i genom av 20 representativa vattenmelonanslutningar (kompletterande Tabell 10). Antalet och platsen för 5s och 45S rDNA-platser i genomerna i de tio moderna odlade (C. lanatus subsp. vulgaris) och sex semiwild vattenmelon (C. lanatus subsp. mucosospermus) var identiska med dem i 97103-genomet, medan genomerna i de fyra mer avlägset relaterade vilda vattenmelonerna (C. lanatus subsp. lanatus) innehöll en 45s och två 5s rDNA-platser, med den ytterligare 5S rDNA-platsen på den korta armen av kromosom 11 (kompletterande Fig. 8). Dessa resultat indikerar att kromosomfusion, fission och införlivande av rDNA kan inträffa under utvecklingen av C. lanatus-arter. Vår analys bekräftade också det fylogenetiska förhållandet mellan dessa tre vattenmelonunderarter20 och stödde hypotesen att C. lanatus subsp. mucosospermus är den senaste förfadern till C. lanatus subsp. vulgaris.

Cucurbit genome evolution

Genomomfattande duplicering i angiospermer är vanligt och representerar en viktig molekylär mekanism som har format moderna växtkaryotyper. I vattenmelongenomet identifierade vi sju stora triplikationer som motsvarade 302 paralogösa förhållanden som täckte 29% av genomet (Fig. 2a). Dessa förfäders triplikat motsvarade den delade paleohexaploidiseringshändelsen (refererad som GHz) rapporterad för eudicots21 som går tillbaka till 76-130 miljoner år sedan. Detta skulle vara långt före cucurbit – genomspeciationshändelsen som inträffade för 15-23 miljoner år sedan (kompletterande Fig. 9).

(a) Schematisk representation av paralogösa par identifierade inom vattenmelongenomet (kromosomer w1–w11). Varje rad representerar en syntenisk region. Olika färger återspeglar ursprung från de sju förfädernas eudicot-kromosomkaryotyp (A1, A4, A7, A10, A13, A16 och A19). (b) Schematisk representation av syntenier bland vattenmelon (kromosomer 1-11), gurka (kromosomer 1-7) och melongenom (länkgrupper (LG) 1-12). Varje rad representerar en syntenisk region. Delad synteny mellan två av de tre arterna är kopplad av en ljusgrå linje. (c) utveckling av vattenmelongenomet (W1–w11 längst ner) från de gemensamma eudicot–genomförfäderna till sju kromosomer (A1, A4, A7, A10, A13, A16 och A19) och den härledda paleohexaploiden n = 21 (A1-A21) förfader mellanliggande. Färgade block representerar utvecklingen av segment från 7 – eller 21-kromosomförfäderna för att nå den moderna vattenmelongenomstrukturen. De 172 kromosomala fusionerna och fissionerna markeras med färgade pilar. TE, transponerbart element; WGD, helgenom dubbelarbete.

för att få tillgång till arten av evolutionära händelser som leder till moderna cucurbit-genomstrukturer analyserade vi de syntetiska förhållandena mellan vattenmelon, gurka19, melon22 och grape21. Vi valde druva som referens, eftersom det är känt att vara närmast i förhållande till eudicot-förfadern strukturerad i sju protokromosomer23. Vi identifierade totalt 3,543 orthologa relationer som täcker 60% av vattenmelongenomet. Vi undersökte sedan de detaljerade kromosom-till-kromosomförhållandena inom familjen Cucurbitaceae och identifierade orthologa kromosomer mellan vattenmelon, gurka och melon (Fig. 2b). De komplicerade synteniska mönstren illustrerade som mosaikkromosom-till-kromosom-orthologa förhållanden avslöjade en hög grad av komplexitet av kromosomutveckling och omarrangemang bland dessa tre viktiga grödor av familjen Cucurbitaceae.

Integration av oberoende analyser av duplikationer inom och syntenier mellan de fyra eudicot-genomerna (vattenmelon, gurka, melon och druva) ledde till den exakta karakteriseringen i vattenmelon av de sju paleotriplikationer som nyligen identifierades som grund för definitionen av sju förfädernas kromosomala grupper i eudicots24. På grundval av den ancestral hexaploidization (POV) som rapporterats för eudicots föreslår vi ett evolutionärt scenario som har format de 11 vattenmelonkromosomerna från 7-kromosomen eudicot-förfäderna genom de 21 paleohexaploid-mellanprodukterna. Vi föreslår att övergången från 21-kromosomen eudicot mellanliggande förfäder involverade 81 fissioner och 91 fusioner för att nå den moderna 11-kromosomstrukturen hos vattenmelon, som representeras som en mosaik av 102 förfäderblock (Fig. 2c).

bedömning av genetisk mångfald i vattenmelon germplasm

vi valde 20 representativa vattenmelonanslutningar för genomresequencing. Dessa inkluderade tio odlade anslutningar som representerar de viktigaste sorterna av C. lanatus subsp. vulgaris (fem Östasien och fem Amerika ekotyper), sex semiwild C. lanatus subsp. mucosospermus och fyra vilda C. lanatus subsp. lanatus (kompletterande Tabell 10 och kompletterande Fig. 10). Vi sekvenserade dessa anslutningar till mellan 5 och 16 täckning och kartlade de korta läsningarna till genomet 97103 (Tilläggstabell 11). Vi identifierade totalt 6,784,860 kandidat SNP och 965,006 små Infogningar / borttagningar (indels) bland de 20 resequenced linjerna och 97103. De stora variationerna fanns mellan C. lanatus subsp. lanatus och de andra två underarterna, medan variationen inom den odlade vattenmelonen, särskilt C. lanatus subsp. vulgaris America ecotype, var relativt låg (kompletterande tabell 12). Noggrannheten i vårt SNP-och indel-samtal var 99.3% respektive 98%, vilket indikeras av Sanger-sekvensering (kompletterande anteckning och kompletterande tabell 13). Denna omfattande vattenmelon genom variation dataset, som täcker ett brett spektrum av vattenmelon genetisk mångfald, representerar en värdefull resurs för biologisk upptäckt och germplasm förbättring.

vi utvärderade den genetiska mångfalden hos vattenmelonpopulationen med hjälp av två vanliga sammanfattande statistik, värdena25 i form av värdena25. Den uppskattade mängden mångfald i vattenmelon (Tilläggstabell 14) var väsentligt lägre än den som hittades i maize26, sojabön27 och ris28. Vild vattenmelon innehåller större genetisk mångfald, vilket indikerar ytterligare genetisk möjlighet till förbättring av vattenmelon. Vi undersökte också befolkningsstrukturen och relationerna mellan vattenmelonanslutningarna genom byggandet av ett grannanslutande träd (Fig. 3a) och huvudkomponentanalys (PCA) (Fig. 3b). Båda analyserna indikerade det nära förhållandet mellan C. lanatus subsp. vulgaris och C. lanatus subsp. mucosospermus (kompletterande anmärkning). Ytterligare analys av befolkningsstrukturen med FRAPPE-programmet29 med K (antalet populationer) från 2 till 5 identifierade en ny undergrupp inom C. lanatus subsp. mucosospermus grupp (När K = 5) och tillsatser mellan C. lanatus subsp. vulgaris och C. lanatus subsp. mukospermus (Fig. 3c och kompletterande anmärkning). Den nya undergruppen visar några egenskaper hos den odlade vattenmelonen, såsom mjuk köttstruktur, rosa köttfärg och relativt hög sockerhalt (kompletterande Tabell 10 och kompletterande Fig. 10). Tillsammans erbjuder dessa resultat ytterligare stöd för vårt föreslagna evolutionära scenario av C. lanatus subsp. mucosospermus till C. lanatus subsp. vulgaris härledd från FISH-analysen av kromosomal rDNA-distribution.

(a) granne-gå fylogenetiska träd vattenmelon anslutningar på grundval av SNP. (b) PCA-analys av vattenmelonanslutningar med SNP som markörer. C. lanatus subsp. vulgaris Östasien och Amerika ekotyper och C. lanatus subsp. mucosospermus accessions kluster tillsammans (arrow) och är nästan oskiljbara. C) befolkningsstruktur för vattenmelonanslutningar. Varje färg representerar en befolkning, varje anslutning representeras av en vertikal stapel, och längden på varje färgat segment i varje vertikal stapel representerar andelen som bidrar med förfädernas populationer. Visas är representativa vattenmelonbilder från varje underart eller ekotyp.

vi skannade därefter genomet för regioner med de högsta skillnaderna i genetisk mångfald (nmucosospermus/nvulgaris) mellan C. lanatus subsp. mucosospermus och C. lanatus subsp. vulgaris. Dessa regioner representerar potentiella selektiva svep under vattenmelon domesticering, som moderna vattenmelon sorter tros ha domesticerade från C. lanatus subsp. mucosospermus. Vi identifierade totalt 108 regioner (7,78 Mb i storlek) innehållande 741 kandidatgener (Fig. 4 och kompletterande tabell 15). Även om genkomplement i dessa regioner kunde ha påverkats av genetisk hitchhiking, identifierade vi biologiska processer som var väsentligt berikade i kandidatgener som var relaterade till viktiga utvalda egenskaper jämfört med hela genomet, inklusive reglering av kolhydratanvändning, sockermedierad signalering, kolhydratmetabolism, svar på sackarosstimulans, reglering av kväveföreningsmetabolism, cellulärt svar på kvävehushållning och tillväxt (kompletterande anmärkning och kompletterande tabeller 16-18).

Rosa staplar under x-axeln motsvarar regioner med 1% signifikansnivå för mångfaldsskillnad (nmucosospermus/nvulgaris).

det är anmärkningsvärt att vissa icke-centromera regioner, särskilt en stor region på kromosom 3 (från 3,4 MB till 3,6 Mb), har särskilt hög nukleotiddivergens endast bland C. lanatus subsp. mucosospermus-anslutningar (Fig. 4). En tidigare rapport beskrev ett liknande resultat i tre olika riskors, och det föreslogs att dessa populationsspecifika högdivergensregioner var mycket associerade med gener som är involverade i reproduktiva barriärer30. Vi analyserade gener i den stora högdiversitetsregionen på kromosom 3 och fann faktiskt att de mest signifikant berikade genkategorierna var erkännande av pollen och pollen-pistil-interaktionen; båda dessa genkategorier är relaterade till reproduktiva barriärer (kompletterande tabell 19). Dessutom bestämde vi att regionen innehöll ett stort kluster av 12 tandemly arrayed s-locus proteinkinasgener, som är involverade i reproduktiva barriärer31. Den höga nukleotiddivergensen av reproduktiva barriärgener i C. lanatus subsp. mucosospermus, den senaste föregångaren till modern odlad vattenmelon, indikerar att domesticering av vattenmelon kan vara en möjlig kraft som är ansvarig för den snabba utvecklingen av reproduktiva barriärer, vilket har rapporterats i ris30. Vidare berikades gener som var involverade i växtsvar på abiotiska och biotiska påfrestningar också signifikant i denna region, förutom gener relaterade till flera kända utvalda egenskaper såsom kolhydratmetabolism, fruktsmak (terpenmetabolism) och fröoljeinnehåll (fettsyrametabolism) (Tilläggstabell 19).

utveckling av sjukdomsresistensgener i vattenmelon

vattenmelonskörden lider stora förluster från många sjukdomar. Därför är förbättring av patogenresistens ett pågående mål för vattenmelonuppfödningsprogram. För att undersöka den molekylära grunden för patogenkänslighet sökte vi efter tre huvudklasser av resistensgener i vattenmelongenomet, nämligen nukleotidbindningsstället och leucinrik upprepning (NBS-LRR), lipoxygenas (LOX)32 och receptorliknande genfamiljer33. Vi identifierade totalt 44 NBS-LRR-gener, inklusive 18 Toll interleukin receptor (TIR)-NBS-LRR– och 26 coiled-coil (CC)-NBS-LRR–kodande gener (kompletterande tabell 20). Vattenmelon NBS-LRR-generna utvecklades oberoende, och vi upptäckte inga sekvensutbyten mellan olika homologer. Sådana evolutionära mönster liknar de av typ II R-gener i sallad och Arabidopsis34, vilket indikerar att vattenmelon har låg mångfald av NBS-LRR-gener. Antalet NBS-LRR-gener i vattenmelongenomet liknar det i cucumber14 och papaya35 men är betydligt färre än i maize36, rice37 och apple12. Däremot har LOX-genfamiljen genomgått en expansion i vattenmelongenomet med 26 medlemmar, varav 19 är anordnade i två tandemgenarrayer (kompletterande Fig. 11). Liknande fynd har rapporterats i gurka, med expansion av LOX-genfamiljen som har betraktats som en möjlig komplementär mekanism för att hantera patogeninvasion14. Vi identifierade vidare 197 receptorliknande gener i vattenmelongenomet, bland vilka 35 kodar receptorliknande proteiner som saknar en kinasdomän och 162 kodar receptorliknande kinaser som har en intracellulär kinasdomän utöver de extracellulära LRR-och transmembrandomänerna (kompletterande tabell 20). Många av dessa resistensgener finns på kromosomer i kluster (kompletterande Fig. 11), föreslår tandemduplikationer som deras evolutionära grund.

det har spekulerats i att bristen på resistens mot ett brett spektrum av sjukdomar i moderna vattenmelonsorter är resultatet av de många år av odling och urval som har fokuserat på önskvärda fruktkvaliteter på bekostnad av sjukdomsresistens8,38. För att testa denna uppfattning utförde vi de novo assemblies of unmapped reads poolade var och en från modern cultivated (C. lanatus subsp. vulgaris) och semiwild och vilda (C. lanatus subsp. mucosospermus och C. lanatus subsp. lanatus, respektive) anslutningar. Vi identifierade 11 och 69 gener från de odlade respektive semiwild-och vilda grupperna som är homologa med kända växtproteiner (kompletterande tabell 21). Det är värt att nämna här att de 69 nya gener som identifierats från semiwild-och vildgruppen var mycket berikade med sjukdomsrelaterade gener inklusive 6 Tir-LRR-NBS-gener, 1 PR-1-gen och 3 lipoxygenasgener, medan ingen av de 11 gener som identifierats i den odlade gruppen var sjukdomsrelaterade. Dessutom var alla 44 NBS-LRR-gener som identifierades i 97103-genomet också närvarande i semiwild och wild accessions (kompletterande anteckning). Dessa fynd stöder hypotesen att en stor del av sjukdomsresistensgenerna har gått förlorade under vattenmelon domesticering.

analys av cucurbit phloem sap och vaskulära transkriptomer

angiosperm enucleate sieve tube-systemet innehåller mRNA, av vilka några har visat sig fungera som ett långdistanssignalmedel39,40. Genom djup transkriptomsekvensering (kompletterande tabell 22) identifierade vi 13,775 och 14,242 mRNA-arter i vattenmelon respektive gurka vaskulära buntar och 1,519 och 1,012 transkript i vattenmelon respektive gurka phloem sap (kompletterande tabeller 23-26). I synnerhet fann vi att genuppsättningarna i kärlbuntarna mellan de två cucurbitarterna var nästan identiska, medan endast 50-60% av transkripten som detekterades i floemsaven var vanliga mellan de två arterna (kompletterande anteckning och kompletterande tabell 27). Gen ontologi (GO) termanrikningsanalys indikerade att huvudkategorierna bland de vanliga floemavskrifterna var svar på stress eller stimulans (kompletterande tabell 28), vilket är helt förenligt med den centrala rollen för växtvaskulärt system, och floem i synnerhet i det långväga kommunikationssystemet som integrerar abiotisk och biotisk spänningssignalering på hela växtnivå41. Däremot identifierade analys av phloem-transkripten som är unika för vattenmelon makromolekylär biosyntesprocess och proteinmetabolisk process som de viktigaste Go-kategorierna (kompletterande tabell 29). De unika phloem sap-transkripten kan återspegla specialiserade funktioner som är unika för floemens roll i dessa arter. Det är anmärkningsvärt att vattenmelonfloem innehöll 118 transkriptionsfaktorer, medan vi identifierade endast 46 transkriptionsfaktorer i gurka och 32 transkriptionsfaktorer som var gemensamma för båda (kompletterande tabeller 30-32).

pumpa (Cucurbita maxima) har använts som ett modellsystem för phloem studies42,43. Vi utvecklade pumpa vaskulär bunt och phloem sap transkriptkataloger genom generation och de novo montering av Illumina Parade-end RNA-sekvensering (RNA-Seq) läser. Jämförande analys av vattenmelon -, gurka-och pumpafloemtranskriptomerna indikerade att cirka 36% av deras transkript var gemensamma (kompletterande Fig. 12). Dessa konserverade transkript utför förmodligen funktioner som är centrala för driften av siktrörsystemet i de flesta cucurbit och eventuellt ytterligare arter.

reglering av vattenmelon frukt utveckling och kvalitet

vattenmelon frukt utveckling är en komplex process som innebär stora förändringar i storlek, färg, konsistens, sockerhalt och näringskomponenter. För att få en omfattande karakterisering av generna som är involverade i utvecklingen och kvaliteten på vattenmelonfrukt utförde vi strängspecifikt RNA-Seq44 av både köttet och skalen vid fyra avgörande stadier av fruktutveckling i den inavlade linjen 97103 (Tilläggstabell 33). Vi identifierade 3 046 och 558 gener som differentiellt uttrycktes i köttet respektive skalet under fruktutveckling och 5 352 gener som differentiellt uttrycktes mellan köttet och skalet i minst ett av de fyra stegen (Tilläggstabeller 34-36). GO term anrikningsanalys indikerade att under fruktutveckling i både kött och skal, biologiska processer såsom cellväggbiogenes, flavonoidmetabolism och försvarssvar ändrades signifikant (falska upptäcktshastigheter (FDR) < 0,01), medan karotenoid -, hexos-och monosackaridmetaboliska processer endast förändrades signifikant i köttet, vilket stödde stora fysiologiska skillnader, inklusive sockerhalt och fruktfärg, mellan köttet och skalet (kompletterande tabell 37).

sockerhalten är en nyckelfaktor för att bestämma vattenmelonfruktkvaliteten. Vattenmelons sötma bestäms av både den totala sockerhalten och förhållandena bland de viktigaste ackumulerade sockerarterna: glukos, fruktos och sukros45. I ungt 97103 fruktkött är fruktos och glukos de dominerande sockerarterna, medan i moget 97103 fruktkött ökas både sackaros och total sockerhalt väsentligt, med sackaros som sedan blir det dominerande sockret; i skalet förblir sockerhalten relativt låg (Tilläggstabell 38). Slutlig sockerackumulering i vattenmelonfrukt bestäms av sockeravlastning från floemet följt av upptag och metabolism i fruktköttet. Det annoterade vattenmelongenomet innehåller totalt 62 sockermetaboliska enzymgener och 76 sockertransportörgener, bland vilka 13 sockermetaboliska gener och 14 sockertransportörgener uttrycktes differentiellt under köttutveckling och mellan kött-och skalvävnaderna (Tilläggstabeller 39 och 40). På grundval av dessa resultat och tidigare publicerat arbete från andra växtarter46,47, föreslår vi en modell för sockermetabolism i cellerna av vattenmelonfruktkött (kompletterande Fig. 13). Specifikt, under utveckling av vattenmelonkött, fungerar sabbi-galaktosidas, olösligt syrainvertas, neutralt invertas, sackarosfosfatsyntas, UDP-glukos 4-epimeras, lösligt syrainvertas och UDP-galaktos/glukospyrofosforylas som viktiga enzymer som är involverade i reglering av sockeravlastning och metabolism. Dessutom är de 14 differentiellt uttryckta sockertransportörerna troligen ansvariga för sockerfördelningen (kompletterande anmärkning).

transkriptionsfaktorer har också en roll i sockerackumulering48. Av de 1 448 förmodade transkriptionsfaktorgener som identifierades i vattenmelongenomet visade 193 signifikanta uttrycksförändringar (FDR < 0,01) under köttutveckling och även i kött jämfört med skal i senare skeden, inklusive transkriptionsfaktorer från familjer som är kända för att vara involverade i reglering av sockerackumulering (kompletterande anmärkning och kompletterande tabeller 41 och 42). Det är anmärkningsvärt att en bzip-gen, Cla014572, nedregleras under köttutveckling och innehåller den sackaroskontrollerade uppströms öppna läsramen (SC-uORF) (kompletterande anteckning och kompletterande Fig. 14). Det rapporterades nyligen att transgena växter konstitutivt uttryckte tobak SC-uORF innehållande bzip-genen tbz17 men saknade dess SC-uORF hade ökat sockerkoncentrationer49. Därför överensstämmer vår analys med en roll för Cla014572 som en nyckelregulator för sockerackumulering under fruktutveckling.

Mads-box gener, såsom MADS-RIN (även känd som LeMADS-RIN)50 och TAGL1 (ref. 51) i tomat, har rapporterats reglera frukt expansion och mognadsprocesser. Fylogenetisk analys av vattenmelon, gurka och Arabidopsis Mads-box transkriptionsfaktorer, tillsammans med MADS-RIN och TAGL1, identifierade två Mads-box transkriptionsfaktorer från vattenmelon i var och en av RIN-och AGL1-kladerna (kompletterande anteckning och kompletterande Fig. 15). Dessa fyra gener (Cla000691 och Cla010815 i RIN clade och Cla009725 och Cla019630 i AGL1 clade) är bland de mest uttryckta Mads-box transkriptionsfaktorerna under fruktutveckling (kompletterande tabell 43). Till skillnad från MADS-RIN, som endast uttrycks i mogna frukter, uttrycks både Cla000691 och Cla010815 starkt under fruktutvecklingen, vilket indikerar att de kunde ha utvecklats för att delta i andra funktioner förutom mognad. Det är anmärkningsvärt i detta avseende att nära banan-och jordgubbshomologer av MADS-RIN också visar uttryck och / eller funktionella aktiviteter som sträcker sig bortom den mogna frukten52,53. Uttrycksprofilerna för Cla009725 och Cla019630 under fruktutveckling liknar TAGL1, vilket överensstämmer med deras potentiella roller för att reglera fruktutvidgning och mognad51.

citrullin är en icke-essentiell aminosyra som produceras från glutamin och har olika fördelar för hälsa och atletisk prestanda. Dess namn härstammar från citrullus, det latinska ordet för vattenmelon, från vilket det först isolerades54. Vattenmelonkött och skal fungerar som en naturlig källa till citrullin, och dess överflöd ökar väsentligt under fruktmognad men minskar sedan när frukten blir övermogen (kompletterande Fig. 16). På grundval av vår anteckning av vattenmelongenomet identifierade vi 14 gener i citrullinmetabolisk väg (kompletterande Fig. 17). Jämfört med Arabidopsis citrullin metabolisk väg har denna väg i vattenmelon genomgått expansion I arginosuccinas-och arginosuccinatsyntasfamiljerna. Båda är involverade i att konvertera citrullin till L-arginin. Vi hittade ett arginosuccinas och två arginosuccinatsyntasgener som var mycket nedreglerade under utveckling av vattenmelonkött (kompletterande tabell 44). Således är citrullinackumulering i det mogna fruktköttet troligen ett resultat av minskad aktivitet av citrullinnedbrytning.