Zhangjun Fei and colleagues report the draft genome of a Chinese elite watermelon inbred line 97103 and resequencing of 20 diverse accessions that represent the three subspecies of Citrullus lunatus. Comparative genome-wide analyses identify the extent of genetic diversity and population structure of watermelon germplasm. Watermelon, Citrullus lanatus, is an important cucurbit crop grown throughout the world. Here we report a high-quality draft genome sequence of the east Asia watermelon cultivar 97103 (2n = 2× = 22) containing 23,440 predicted protein-coding genes. Comparative genomics analysis provided an evolutionary scenario for the origin of the 11 watermelon chromosomes derived from a 7-chromosome paleohexaploid eudicot ancestor. Resequencing of 20 watermelon accessions representing three different C. lanatus subspecies produced numerous haplotypes and identified the extent of genetic diversity and population structure of watermelon germplasm. Genomic regions that were preferentially selected during domestication were identified. Many disease-resistance genes were also found to be lost during domestication. In addition, integrative genomic and transcriptomic analyses yielded important insights into aspects of phloem-based vascular signaling in common between watermelon and cucumber and identified genes crucial to valuable fruit-quality traits, including sugar accumulation and citrulline metabolism.

The kiwifruit (Actinidia chinensis) is an economically and nutritionally important fruit crop with remarkably high vitamin C content. Here we report the draft genome sequence of a heterozygous kiwifruit, assembled from ~140-fold next-generation sequencing data. The assembled genome has a total length of 616.1 Mb and contains 39,040 genes. Comparative genomic analysis reveals that the kiwifruit has undergone an ancient hexaploidization event (γ) shared by core eudicots and two more recent whole-genome duplication events. Both recent duplication events occurred after the divergence of kiwifruit from tomato and potato and have contributed to the neofunctionalization of genes involved in regulating important kiwifruit characteristics, such as fruit vitamin C, flavonoid and carotenoid metabolism. As the first sequenced species in the Ericales, the kiwifruit genome sequence provides a valuable resource not only for biological discovery and crop improvement but also for evolutionary and comparative genomics analysis, particularly in the asterid lineage.

Abstract Human selection has reshaped crop genomes. Here we report an apple genome variation map generated through genome sequencing of 117 diverse accessions. A comprehensive model of apple speciation and domestication along the Silk Road is proposed based on evidence from diverse genomic analyses. Cultivated apples likely originate from Malus sieversii in Kazakhstan, followed by intensive introgressions from M. sylvestris . M. sieversii in Xinjiang of China turns out to be an “ancient” isolated ecotype not directly contributing to apple domestication. We have identified selective sweeps underlying quantitative trait loci/genes of important fruit quality traits including fruit texture and flavor, and provide evidences supporting a model of apple fruit size evolution comprising two major events with one occurring prior to domestication and the other during domestication. This study outlines the genetic basis of apple domestication and evolution, and provides valuable information for facilitating marker-assisted breeding and apple improvement.

The whitefly Bemisia tabaci (Hemiptera: Aleyrodidae) is among the 100 worst invasive species in the world. As one of the most important crop pests and virus vectors, B. tabaci causes substantial crop losses and poses a serious threat to global food security. We report the 615-Mb high-quality genome sequence of B. tabaci Middle East-Asia Minor 1 (MEAM1), the first genome sequence in the Aleyrodidae family, which contains 15,664 protein-coding genes. The B. tabaci genome is highly divergent from other sequenced hemipteran genomes, sharing no detectable synteny. A number of known detoxification gene families, including cytochrome P450s and UDP-glucuronosyltransferases, are significantly expanded in B. tabaci. Other expanded gene families, including cathepsins, large clusters of tandemly duplicated B. tabaci-specific genes, and phosphatidylethanolamine-binding proteins (PEBPs), were found to be associated with virus acquisition and transmission and/or insecticide resistance, likely contributing to the global invasiveness and efficient virus transmission capacity of B. tabaci. The presence of 142 horizontally transferred genes from bacteria or fungi in the B. tabaci genome, including genes encoding hopanoid/sterol synthesis and xenobiotic detoxification enzymes that are not present in other insects, offers novel insights into the unique biological adaptations of this insect such as polyphagy and insecticide resistance. Interestingly, two adjacent bacterial pantothenate biosynthesis genes, panB and panC, have been co-transferred into B. tabaci and fused into a single gene that has acquired introns during its evolution. The B. tabaci genome contains numerous genetic novelties, including expansions in gene families associated with insecticide resistance, detoxification and virus transmission, as well as numerous horizontally transferred genes from bacteria and fungi. We believe these novelties likely have shaped B. tabaci as a highly invasive polyphagous crop pest and efficient vector of plant viruses. The genome serves as a reference for resolving the B. tabaci cryptic species complex, understanding fundamental biological novelties, and providing valuable genetic information to assist the development of novel strategies for controlling whiteflies and the viruses they transmit.

The Cucurbita genus contains several economically important species in the Cucurbitaceae family. Here, we report high-quality genome sequences of C. maxima and C. moschata and provide evidence supporting an allotetraploidization event in Cucurbita. We are able to partition the genome into two homoeologous subgenomes based on different genetic distances to melon, cucumber, and watermelon in the Benincaseae tribe. We estimate that the two diploid progenitors successively diverged from Benincaseae around 31 and 26 million years ago (Mya), respectively, and the allotetraploidization happened at some point between 26 Mya and 3 Mya, the estimated date when C. maxima and C. moschata diverged. The subgenomes have largely maintained the chromosome structures of their diploid progenitors. Such long-term karyotype stability after polyploidization has not been commonly observed in plant polyploids. The two subgenomes have retained similar numbers of genes, and neither subgenome is globally dominant in gene expression. Allele-specific expression analysis in the C. maxima × C. moschata interspecific F1 hybrid and their two parents indicates the predominance of trans-regulatory effects underlying expression divergence of the parents, and detects transgressive gene expression changes in the hybrid correlated with heterosis in important agronomic traits. Our study provides insights into polyploid genome evolution and valuable resources for genetic improvement of cucurbit crops.

Abstract Fruit characteristics of sweet watermelon are largely the result of human selection. Here we report an improved watermelon reference genome and whole-genome resequencing of 414 accessions representing all extant species in the Citrullus genus. Population genomic analyses reveal the evolutionary history of Citrullus , suggesting independent evolutions in Citrullus amarus and the lineage containing Citrullus lanatus and Citrullus mucosospermus . Our findings indicate that different loci affecting watermelon fruit size have been under selection during speciation, domestication and improvement. A non-bitter allele, arising in the progenitor of sweet watermelon, is largely fixed in C. lanatus . Selection for flesh sweetness started in the progenitor of C. lanatus and continues through modern breeding on loci controlling raffinose catabolism and sugar transport. Fruit flesh coloration and sugar accumulation might have co-evolved through shared genetic components including a sugar transporter gene. This study provides valuable genomic resources and sheds light on watermelon speciation and breeding history.

Sweetpotato [Ipomoea batatas (L.) Lam.] is a globally important staple food crop, especially for sub-Saharan Africa. Agronomic improvement of sweetpotato has lagged behind other major food crops due to a lack of genomic and genetic resources and inherent challenges in breeding a heterozygous, clonally propagated polyploid. Here, we report the genome sequences of its two diploid relatives, I. trifida and I. triloba, and show that these high-quality genome assemblies are robust references for hexaploid sweetpotato. Comparative and phylogenetic analyses reveal insights into the ancient whole-genome triplication history of Ipomoea and evolutionary relationships within the Batatas complex. Using resequencing data from 16 genotypes widely used in African breeding programs, genes and alleles associated with carotenoid biosynthesis in storage roots are identified, which may enable efficient breeding of varieties with high provitamin A content. These resources will facilitate genome-enabled breeding in this important food security crop.

Abstract Spinach is a nutritious leafy vegetable belonging to the family Chenopodiaceae. Here we report a chromosome-scale reference genome assembly of spinach, which has a total size of 894.3 Mb and an N50 contig size of 23.8 Mb, with 98.3% anchored and ordered on the six chromosomes. Reconstruction of ancestral Chenopodiaceae karyotype indicates substantial genome rearrangements in spinach after its divergence from ancestral Chenopodiaceae, coinciding with high repeat content in the spinach genome. Resequencing the genomes of 305 cultivated and wild spinach accessions provides insights into spinach genetic diversity and population differentiation. Genome-wide association studies of 20 agronomical traits identify numerous significantly associated regions and candidate genes for these traits. Domestication sweeps in the spinach genome are identified, some of which are associated with important traits (e.g., leaf phenotype, bolting and flowering), demonstrating the role of artificial selection in shaping spinach phenotypic evolution. This study provides not only insights into the spinach evolution and domestication but also valuable resources for facilitating spinach breeding.

Abstract Brassica oleracea includes several morphologically diverse, economically important vegetable crops. Here we present high-quality chromosome-scale genome assemblies for two B. oleracea morphotypes, cauliflower and cabbage. Direct comparison of these two assemblies identifies ~120 K high-confidence structural variants (SVs). Population analysis of 271 B. oleracea accessions using these SVs clearly separates different morphotypes, suggesting the association of SVs with B. oleracea intraspecific divergence. Genes affected by SVs selected between cauliflower and cabbage are enriched with functions related to response to stress and stimulus and meristem and flower development. Furthermore, genes affected by selected SVs and involved in the switch from vegetative to generative growth that defines curd initiation, inflorescence meristem proliferation for curd formation, maintenance and enlargement, are identified, providing insights into the regulatory network of curd development. This study reveals the important roles of SVs in diversification of different morphotypes of B. oleracea , and the newly assembled genomes and the SVs provide rich resources for future research and breeding.