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.

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.

Summary Polyploidy has played a crucial role in plant evolution, development and function. Synthetic autopolyploid represents an ideal system to investigate the effects of polyploidization on transcriptional regulation. In this study, we deciphered the impact of genome duplication at phenotypic and molecular levels in watermelon. Overall, 88% of the genes in tetraploid watermelon followed a >1:1 dosage effect, and accordingly, differentially expressed genes were largely upregulated. In addition, a great number of hypomethylated regions (1688) were identified in an isogenic tetraploid watermelon. These differentially methylated regions were localized in promoters and intergenic regions and near transcriptional start sites of the identified upregulated genes, which enhances the importance of methylation in gene regulation. These changes were reflected in sophisticated higher‐order chromatin structures. The genome doubling caused switching of 108 A and 626 B compartments that harbored genes associated with growth, development and stress responses.

Background Watermelon seeds are a powerhouse of value-added traits such as proteins, free amino acids, vitamins, and essential minerals, offering a paleo-friendly dietary option. Despite the availability of substantial genetic variation, there is no sufficient information on the natural variation in seed-bound amino acids or proteins across the watermelon germplasm. This study aimed to analyze the natural variation in watermelon seed amino acids and total protein and explore underpinning genetic loci by genome-wide association study (GWAS). Methods The study evaluated the distribution of seed-bound free amino acids and total protein in 211 watermelon accessions of Citrullus spp, including 154 of Citrullus lanatus , 54 of Citrullus mucosospermus (egusi) and three of Citrullus amarus . We used the GWAS approach to associate seed phenotypes with 11,456 single nucleotide polymorphisms (SNPs) generated by genotyping-by-sequencing (GBS). Results Our results demonstrate a significant natural variation in different free amino acids and total protein content across accessions and geographic regions. The accessions with high protein content and proportion of essential amino acids warrant its use for value-added benefits in the food and feed industries via biofortification. The GWAS analysis identified 188 SNPs coinciding with 167 candidate genes associated with watermelon seed-bound amino acids and total protein. Clustering of SNPs associated with individual amino acids found by principal component analysis was independent of the speciation or cultivar groups and was not selected during the domestication of sweet watermelon. The identified candidate genes were involved in metabolic pathways associated with amino acid metabolism, such as Argininosuccinate synthase, explaining 7% of the variation in arginine content, which validate their functional relevance and potential for marker-assisted analysis selection. This study provides a platform for exploring potential gene loci involved in seed-bound amino acids metabolism, useful in genetic analysis and development of watermelon varieties with superior seed nutritional values.

Since their introduction in Europe, pumpkins (Cucurbita maxima Duch.) have rapidly dispersed throughout the world. This is mainly because of their wide genetic diversity and Plasticity to thrive in a wide range of geographical regions across the world, their high nutritional value and suitability to integrate with local cuisines, and their long shelf life. Competition for growing the showy type or mammoth-sized pumpkins that produce the largest fruit of the entire plant kingdom has drawn attention. In this study, we used genome-wide single nucleotide polymorphisms to resolve admixture among different pumpkin groups. Also, to resolve population differentiation, genome-wide divergence and evolutionary forces underlying the evolution of mammoth-sized pumpkin. The admixture analysis indicates that the mammoth group (also called Display or Giant) evolved from the hubbard group with genome-wide introgressions from the buttercup group. We archived a set of private alleles underlying fruit development in mammoth group, and resolved haplotype level divergence involved in the evolutionary mechanisms. Our genome-wide association study identified three major allelic effects underlying various fruit-size genes in this study. For fruit weight, a missense variant in the homeobox-leucine zipper protein ATHB-20-like (S04_18528409) was significantly associated (false discovery rate = 0.000004) with fruit weight, while high allelic effect was consistent across the 3 years of the study. A cofactor (S08_217549) on chromosome 8 is strongly associated with fruit length, having superior allelic effect across the 3 years of this study. A missense variant (S10_4639871) on translocation protein SEC62 is a cofactor for fruit diameter. Several known molecular mechanisms are likely controlling giant fruit size, including endoreduplication, hormonal regulation, CLV-WUS signaling pathway, MADS-box family, and ubiquitin-proteasome pathway. This study provides a general framework for the evolutionary relationship among horticulture groups of C. maxima and elucidates the origins of rare variants contributing to the giant pumpkin fruit size.

Carotenoid levels and composition are essential nutraceutical traits in Cucurbita maxima influencing the fruit flesh and rind colors. In this study, Mr Fugly, Boston Marrow, Baby Green Hubbard, Chicago Warted Hubbard, Golden Hubbard, and Bush Buttercup of USA; Australian Butter (Australia); Marmellata and Marina di Chioggia of Italy contained the highest carotenoid content. EMMAX (Efficient Mixed-Model Association eXpedited) was employed for a Genome-wide association study (GWAS) to identify associated genomic regions underlying the regulation of carotenoids. Here, we profiled the contents of α-carotene, β-carotene, β-cryptoxanthin, lutein, and zeaxanthin from a diversity panel of C. maxima consisting of classical horticulture groups including buttercup, turban, banana, zapallito, hubbard, mammoth and australian. Lutein and β-carotene were the major carotenoids among C. maxima accessions. Furthermore, we used genotyping by sequencing to identify 12,996 single nucleotide polymorphisms (SNPs) that were used to resolve population structure with three primary clusters and their admixed genotypes. Our GWAS revealed several SNPs related to 289 genes involved in plastid biogenesis, protein ubiquitination, transcriptional regulation at the carotenoid biosynthesis level, fruit ripening, and regulation of carotenoid transport. Together, these results contribute to a better understanding of the molecular mechanisms of carotenoid biosynthesis in fruit flesh and would facilitate breeding for enhanced carotenoids in winter squashes.

Sweet watermelon (Citrullus lanatus var. vulgaris) belongs to the genus Citrullus Schrad and has six known species including Citrullus naudinianus, C. colocynthis, C. ecirrhosus, C. rehmii, C. amarus, and C. mucosospermus which exist in the wild. All these Citrullus spp. have wide variety of fruits with various shapes, size, rind thickness, colors and patterns, and flesh texture. Population genomics studies such as whole-genome sequencing of cultivars and related species, resequencing to generate genomewide SNPs and INDELs, characterization of the chromosomal organization by fluorescence in situ hybridization of rDNA probes, transcriptome analyses, QTL analyses for fruit traits, biotic and abiotic stresses have addressed multiple questions related to the biology and evolution of watermelon. Genome-wide genetic diversity, distribution of linkage disequilibrium, model-based approaches for population structure, and admixture allowed to infer shared ancestries involving global collections of sweet watermelon. Similarly, published studies in watermelon genetic diversity have not systematically prioritized role of C. amarus genes in diversification of watermelon gene pool. Phylogeny analyses based on whole-genome sequencing and conserved ITS and chloroplast markers of various Citrullus species indicated that C. mucosospermus and its derivative C. lanatus subsp. cordophanus might be the ancestors of sweet watermelon. However, knowledge is elusive to figure out after losing bitterness in fruit, if the fruit size, rind thickness, flesh softening, lycopene accumulation, sucrose synthesis and ripening simultaneously were the part of domestication syndrome or there had been a logical order of the evolutionary histories of the mutations in underlying genes that played roles in the domestication. This chapter is a review of evolution, genetic diversity, phylogenies, selected QTL and transcriptome studies, and genomics in perspective of domestication and diversification of cultivated watermelon clade.

Watermelon is a nutritionally and economically significant crop in the US and globally. Gummy Stem Blight (GSB), caused by three cryptic Stagonosporopsis species, is one of the most devastating diseases affecting watermelon in the US, impacting most of the plant's above-ground parts. This study aimed to identify key Quantitative Trait Variants (QTVs) that include SNPs and In/Dels associated with GSB resistance in selfed derivatives of advanced multicross interspecific derivatives population derived from intercrosses between the most resistant lines of Citrullus amarus and highly susceptible cultivars of Citrullus lanatus. Resistant and susceptible bulks were created by combining equimolar DNA concentrations from 30 extremely resistant derivatives and 30 extremely susceptible lines. These bulks underwent whole-genome sequencing, generating over 1 billion reads per bulk to achieve comprehensive genome coverage. The mapping percentage of the bulks to the parental genomes ranged from 92 to 99%. More than 6 million SNPs and 1 million indels were identified from the resistant parental genome, compared to fewer than 2 million SNPs and 0.4 million indels from the susceptible parental genome. QTNs associated with GSB resistance were identified using single-nucleotide polymorphism-index and Gprime methods. Statistically significant variants/loci linked to GSB resistance were found on chromosomes 1, 2, 3, 5, 7, 10, and 11. Notably, the genes Lipase class 3 family protein, Ribosome hibernation promotion factor (CaU02G00010), Ubiquitin-like-specific protease 1D (CaU03G04260), and Zinc finger CCCH domain-containing 15 (CaU03G10970) harbored the highest delta SNPs. Several previously published genes, including Avr9/Cf-9 Rapidly Elicited Protein (CaU07G12990) on chromosome 7, were also identified. Identifying significant loci associated with GSB resistance has facilitated the development of PACE assays, which will aid in breeding GSB-resistant watermelon cultivars. These findings provide critical insights into the genetic basis of GSB resistance and represent a significant step towards improving the resilience of watermelon crops against this devastating disease.

Color and pigment content are important aspects of fruit quality and consumer acceptance of cucurbit crops. Here, we describe the independent mapping and cloning of a common causative APRR2 gene regulating pigment accumulation in melon and watermelon. We initially show that the APRR2 transcription factor is causative for the qualitative difference between dark and light green rind in both crops. Further analyses establish the link between sequence or expression level variations in the CmAPRR2 gene and pigments content in the rind and flesh of mature melon fruits. GWAS of young fruit rind color in a panel composed of 177 diverse melon accessions did not result in any significant association, leading to an earlier assumption that multiple genes are involved in shaping the overall phenotypic variation at this trait. Through resequencing of 25 representative accessions and allelism tests between light rind accessions, we show that multiple independent SNPs in the CmAPRR2 gene are causative for the light rind phenotype. The multi-haplotypic nature of this gene explain the lack of detection power obtained through GBS-based GWAS and confirm the pivotal role of this gene in shaping fruit color variation in melon. This study demonstrates the power of combining bi- and multi-allelic designs with deep sequencing, to resolve lack of power due to high haplotypic diversity and low allele frequencies. Due to its central role and broad effect on pigment accumulation in fruits, the APRR2 gene is an attractive target for carotenoids bio-fortification of cucurbit crops.