Abstract In tomato (Solanum lycopersicum), phytoene synthase-1 (PSY-1) is the key biosynthetic enzyme responsible for the synthesis of fruit carotenoids. To further our understanding of carotenoid formation in tomato fruit, we characterized the effect of constitutive expression of an additional tomato Psy-1 gene product. A quantitative data set defining levels of carotenoid/isoprenoid gene expression, enzyme activities, and metabolites was generated from fruit that showed the greatest perturbation in carotenoid content. Transcriptional upregulation, resulting in increased enzyme activities and metabolites, occurred only in the case of Psy-1, Psy-2, and lycopene cyclase B. For reactions involving 1-deoxy-d-xylulose5-phosphate synthase, geranylgeranyl diphosphate synthase, phytoene desaturase, ζ-carotene desaturase, carotene isomerase, and lycopene β-cyclase, there were no correlations between gene expression, enzyme activities, and metabolites. Perturbations in carotenoid composition were associated with changes in plastid type and with chromoplast-like structures arising prematurely during fruit development. The levels of >120 known metabolites were determined. Comparison with the wild type illustrated that key metabolites (sucrose, glucose/fructose, and Glu) and sectors of intermediary metabolism (e.g., trichloroacetic acid cycle intermediates and fatty acids) in the Psy-1 transgenic mature green fruit resembled changes in metabolism associated with fruit ripening. General fruit developmental and ripening properties, such as ethylene production and fruit firmness, were unaffected. Therefore, it appears that the changes to pigmentation, plastid type, and metabolism associated with Psy-1 overexpression are not connected with the ripening process.

Abstract The red colouration of ripe chilli pepper fruit is due to the presence of the carotenoid capsanthin. 1- D -deoxy-xylulose 5-phosphate synthase (DXS) and phytoene synthase(s) (PSY) are influential biosynthetic steps in the carotenoid pathway. A panel of chilli accessions for varying fruit colour intensity revealed the correlation of carotenoid content with PSY and DXS transcript levels. The PSY and DXS genes were sequenced from high and low carotenoid genotypes to deduce potential allelic variation. PSY -1 and -2 showed tissue specific expression, with PSY -1and 2 expressed in chromoplast and chloroplast containing tissues, respectively. Protein modelling, phylogenetic analysis and transcription factor analysis was conducted to understand how the allelic variation identified could affect carotenoid biosynthesis and regulation, and subsequently colour intensity phenotype. A candidate mutation located in the transit peptide of the PSY-1 protein sequence was identified in the low colour intensity genotype. Within the promoter region of the DXS gene present in the high colour intensity genotype sequence variation was determined in the glyceraldehyde 3-phosphate binding motif (GAPF) of the promoter region. These data can be exploited to develop tools and resources for the breeding of high colour intensity chilli pepper fruit. Key policy highlights Using the molecular findings disclosed in this article the potential exists to develop molecular markers for the breeding varieties of chilli peppers with improved aesthetic consumer preference and nutritional attributes.

Background: Given its tolerance to stress and its richness in particular secondary metabolites, the tobacco tree, Nicotiana glauca, has been considered a promising biorefinery feedstock that would not be competitive with food and fodder crops. Results: Here we present a 3.5 Gbp draft sequence and annotation of the genome of N. glauca spanning 731,465 scaffold sequences, with an N50 size of approximately 92 kbases. Furthermore, we supply a comprehensive transcriptome and metabolome analysis of leaf development comprising multiple techniques and platforms. The genome sequence is predicted to cover nearly 80% of the estimated total genome size of N. glauca. With 73,799 genes predicted and a BUSCO score of 94.9%, we have assembled the majority of gene-rich regions successfully. RNA-Seq data revealed stage- and/or tissue-specific expression of genes, and we determined a general trend of a decrease of tricarboxylic acid cycle metabolites and an increase of terpenoids as well as some of their corresponding transcripts during leaf development. Conclusion: The N. glauca draft genome and its detailed transcriptome, together with paired metabolite data, constitute a resource for future studies of valuable compound analysis in tobacco species and present the first steps towards a further resolution of phylogenetic, whole genome studies in tobacco.

SUMMARY Plants are sessile and therefore have developed an extraordinary capacity to adapt to external signals. Here, the focus is on the plasticity of the plant cell to respond to new intracellular cues. Ketocarotenoids are high-value natural red pigments with potent antioxidant activity. In the present study, system level analyses have revealed that the heterologous biosynthesis of ketocarotenoids in tomato initiated a series of cellular and metabolic mechanisms to cope with the formation of metabolites that are non-endogenous to the plant. The broad multilevel changes were linked to, among others, (i) the remodelling of the plastidial membrane, where the synthesis and storage of ketocarotenoids occurs, (ii) the recruiting of core metabolic pathways for the generation of metabolite precursors and energy, and (iii) redox control. The role of the metabolites as regulators of cellular processes shown here, reinforces their pivotal role suggested in the remodelled “central dogma” concept.