西瓜（Citrullus lanatus cv. ‘Mimei’）的染色体级基因组组装通过整合多组学数据来解析果实品质的形成机制

《Planta》：A chromosome-scale genome assembly of watermelon (Citrullus lanatus cv. ‘Mimei’) integrates multi-omics data to decipher fruit quality development

　　

摘要

主要结论

通过Illumina、PacBio HiFi和Hi-C测序技术，我们构建了经典西瓜品种“美美”的高质量染色体级基因组序列，其大小为366.66 Mb，BUSCO完整性为94.8%，HOGs完整性为93.93%。该基因组包含25,271个蛋白质编码基因以及2504个非编码RNA，为西瓜的研究与育种提供了重要的基因组参考。通过整合代谢组学和转录组学分析，我们发现了果实发育过程中果糖、葡萄糖、蔗糖和类胡萝卜素的动态积累规律。差异表达分析和KEGG富集分析表明，淀粉和蔗糖代谢、果糖和甘露糖代谢以及类胡萝卜素生物合成等途径在决定果实品质方面起着关键作用。通过对ClaSHY2（Cla02MM07830）的动态表达分析及其短暂过表达实验，我们发现该基因有助于增加叶绿素含量（尤其是叶绿素b的含量），并协调光合作用能力与碳水化合物代谢之间的关系。关键基因ClLCYB（Cla04MM09400）的实验结果也证实了它能够催化番茄红素转化为β-胡萝卜素，从而阐明了类胡萝卜素代谢的分子机制。本研究为利用基因组学技术进行西瓜育种和品质改良提供了全面的多组学资源及理论基础。

摘要

西瓜（Citrullus lanatus）是全球最重要的水果作物之一。其果实因其甜味、丰富的营养成分以及不同品种间的独特风味而备受青睐。然而，由于该物种复杂的遗传背景，目前对于决定果实品质的分子机制了解还不够充分，现代分子育种技术在西瓜上的应用也仍然有限。在本研究中，我们首次构建了经典品种“美美”的高质量染色体级基因组，其总大小为366.66 Mb，该基因组已定位在11条染色体上，且包含25271个蛋白质编码基因。通过结合分光光度法、液相色谱-质谱法以及转录组测序技术，我们研究了“美美”西瓜在果实发育和成熟过程中的可溶性糖类及类胡萝卜素代谢的动态变化。转录组分析显示，在不同发育阶段存在大量的基因表达差异，其中与淀粉和蔗糖代谢、果糖和甘露糖代谢、类胡萝卜素生物合成以及植物激素信号传导相关的途径表现出显著的活性增强。包括sucrose synthase、beta-amylase和phytoene synthase在内的关键基因，其表达模式与果实成熟过程中糖类和类胡萝卜素的积累过程相一致。值得注意的是，生长素信号传导相关基因也呈现出动态调控特征，ClaSHY2（Cla02MM07830）可能在协调光合作用效率与碳水化合物分配方面发挥重要作用。在西瓜叶片中短暂过表达ClaSHY2后，叶绿素b的含量增加了50%以上，这表明该基因可能与叶绿体发育及糖代谢有关。此外，异源表达实验还证实ClLCYB（Cla04MM09400）能够催化番茄红素转化为β-胡萝卜素。总体而言，这些研究结果为揭示“美美”西瓜果实品质形成的分子机制提供了全面的基因组、代谢组及转录组数据，也为利用基因组学技术对该经典品种进行育种奠定了重要基础。