De sju arterna av vattenmelon har en otrolig mångfald. Kredit:Xingping Zhang/Syngenta
Ett internationellt team av forskare har tagit en omfattande titt på genomen av alla sju arter av vattenmelon och skapat en resurs som kan hjälpa växtförädlare att öka den inhemska fruktens kvalitet och förmåga att frodas under en era av klimatförändringar.>
När många människor tänker på vattenmelon tänker de förmodligen på Citrullus lanatus , den odlade vattenmelonen med söt, saftig röd frukt som avnjuts runt om i världen som efterrätt. Vattenmelon är faktiskt en av världens mest populära frukter, näst efter tomat – som många anser vara en grönsak. Men det finns sex andra vilda arter av vattenmelon, som alla har bleka, hårda och bittra frukter.
Forskare har nu tagit en omfattande titt på arvsmassan för alla sju arter och skapat en resurs som kan hjälpa växtförädlare att hitta vilda vattenmelongener som ger resistens mot skadedjur, sjukdomar, torka och andra svårigheter, och ytterligare förbättra fruktkvaliteten. Att introducera dessa gener i odlad vattenmelon skulle kunna ge söta vattenmeloner av hög kvalitet som kan växa i mer varierande klimat, vilket kommer att vara särskilt viktigt eftersom klimatförändringarna i allt högre grad utmanar jordbrukare.
"När människor domesticerade vattenmelon under de senaste 4 000 åren, valde de frukt som var röd, söt och mindre bitter", säger Zhangjun Fei, fakultetsmedlem vid Boyce Thompson Institute och medledare för den internationella ansträngningen.
Som beskrivs i en artikel publicerad i Nature Genetics den 1 november gjorde forskarna dessa insikter med hjälp av en tvåstegsprocess. Först skapade de en förbättrad version av ett "referensgenom", som används av växtforskare och uppfödare för att hitta nya och intressanta versioner av gener från deras exemplar.
Odlade vattenmelons vilda släktingar är mycket genetiskt olika, vilket gör dem troliga källor till gener som ger tolerans mot skadedjur, sjukdomar och abiotiska påfrestningar som torka och hög salthalt. Kredit:Xingping Zhang/Syngenta
"Tyvärr, när människor gjorde vattenmeloner sötare och rödare, förlorade frukten vissa förmågor att motstå sjukdomar och andra typer av påfrestningar", säger Fei, som också är adjungerad professor vid Cornell Universitys School of Integrative Plant Science.
Fei ledde skapandet av det första referensgenomet för vattenmelon med hjälp av en östasiatisk odlad sort som heter "97103", som publicerades 2013.
"Det första referensgenomet gjordes med hjälp av äldre kortlästa sekvenseringsteknologier," sa Fei. "Genom att använda nuvarande långlästa sekvenseringsteknologier kunde vi skapa ett genom av mycket högre kvalitet som kommer att vara en mycket bättre referens för vattenmelonsamhället."
Gruppen sekvenserade sedan genomen från 414 olika vattenmeloner som representerade alla sju arterna. Genom att jämföra dessa genom både med det nya referensgenomet och med varandra kunde forskarna fastställa det evolutionära förhållandet mellan de olika vattenmelonarterna.
"En viktig upptäckt från vår analys är att en vild art som används allmänt i nuvarande avelsprogram, C. amarus , är en systerart och inte en förfader som man trodde allmänt”, sa Fei.
Faktum är att forskarna fann att odlad vattenmelon tämjdes genom att förädla bitterheten och öka sötman, fruktstorleken och köttets färg. Moderna sorter har förbättrats ytterligare under de senaste hundra åren genom att öka sötma, smak och krispig konsistens. Forskarna avslöjade också regioner av vattenmelongenomet som kunde brytas för att fortsätta förbättra fruktkvaliteten, till exempel genom att göra dem större, sötare och krispigare.
Under de senaste 20 till 30 åren har växtförädlare korsat odlad vattenmelon med systerarten C. amarus och två andra vilda släktingar, C. mucusospermus och C. colocynthis , för att göra desserten vattenmelon mer motståndskraftig mot nematodskadegörare, torka och sjukdomar som Fusarium vissne och mjöldagg.
Dessa typer av förbättringar med hjälp av vilda släktingar är det som upphetsar Amnon Levi, en forskningsgenetiker och vattenmelonuppfödare vid det amerikanska jordbruksdepartementet, jordbruksforskningstjänsten, U.S. Vegetable Laboratory i Charleston, South Carolina. Levi är medförfattare till uppsatsen och tillhandahöll det genetiska materialet för många av de vattenmeloner som användes i studien.
"Den söta vattenmelonen har en mycket smal genetisk bas", säger Levi. "Men det finns en stor genetisk mångfald bland de vilda arterna, vilket ger dem stor potential att innehålla gener som ger dem tolerans mot skadedjur och miljöpåfrestningar."
Levi planerar att arbeta med BTI för att upptäcka några av dessa vilda gener som kan användas för att förbättra dessertvattenmelonen, särskilt för sjukdomsresistens.
"Vattenmelon är mottaglig för många tropiska sjukdomar och skadedjur, vars sortiment förväntas fortsätta att expandera tillsammans med klimatförändringarna", säger Levi. "Vi vill se om vi kan ta tillbaka några av dessa vilda sjukdomsresistensgener som gick förlorade under domesticeringen."
Andra medförfattare var forskare från Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences och Chinese Academy of Agricultural Sciences.
Studien stöddes delvis av medel från USDA National Institute of Food and Agriculture Specialty Crop Research Initiative (2015-51181-24285) och US National Science Foundation (IOS-1339287 och IOS-1539831).
I samma nummer av Nature Genetics , Fei och kollegor publicerade också en liknande uppsats som analyserade 1 175 meloner, inklusive cantaloupe och honungsdagg. Forskarna hittade 208 genomiska regioner som var associerade med fruktmassa, kvalitet och morfologiska egenskaper, vilket kan vara användbart för melonuppfödning. De två tidningarna var också föremål för en redaktionell och en News &Views-artikel i tidskriften.
Tidigare i år publicerade Fei, Levi och kollegor ett referensgenom av "Charleston Grey" vattenmelon, den huvudsakliga amerikanska varianten av C. lanatus för att komplettera det östasiatiska '97103'-genomet.
