The unique aroma of melons (Cucumis melo L., Cucurbitaceae) is composed of many volatile compounds biosynthetically derived from fatty acids, carotenoids, amino acids, and terpenes. Although amino acids are known precursors of aroma compounds in the plant kingdom, the initial steps in the catabolism of amino acids into aroma volatiles have received little attention. Incubation of melon fruit cubes with amino acids and α-keto acids led to the enhanced formation of aroma compounds bearing the side chain of the exogenous amino or keto acid supplied. Moreover, L-[13C6]phenylalanine was also incorporated into aromatic volatile compounds. Amino acid transaminase activities extracted from the flesh of mature melon fruits converted L-isoleucine, L-leucine, L-valine, L-methionine, or L-phenylalanine into their respective α-keto acids, utilizing α-ketoglutarate as the amine acceptor. Two novel genes were isolated and characterized (CmArAT1 and CmBCAT1) encoding 45.6 kDa and 42.7 kDa proteins, respectively, that displayed aromatic and branched-chain amino acid transaminase activities, respectively, when expressed in Escherichia coli. The expression of CmBCAT1 and CmArAT1 was low in vegetative tissues, but increased in flesh and rind tissues during fruit ripening. In addition, ripe fruits of climacteric aromatic cultivars generally showed high expression of CmBCAT1 and CmArAT1 in contrast to non-climacteric non-aromatic fruits. The results presented here indicate that in melon fruit tissues, the catabolism of amino acids into aroma volatiles can initiate through a transamination mechanism, rather than decarboxylation or direct aldehyde synthesis, as has been demonstrated in other plants.

Summary The flesh color of Cucumis melo (melon) is genetically determined, and can be white, light green or orange, with β–carotene being the predominant pigment. We associated carotenoid accumulation in melon fruit flesh with polymorphism within CmOr , a homolog of the cauliflower BoOr gene, and identified CmOr as the previously described gf locus in melon. CmOr was found to co‐segregate with fruit flesh color, and presented two haplotypes (alleles) in a broad germplasm collection, one being associated with orange flesh and the second being associated with either white or green flesh. Allelic variation of CmOr does not affect its transcription or protein level. The variation also does not affect its plastid subcellular localization. Among the identified single nucleotide polymorphisms ( SNP s) between CmOr alleles in orange versus green/white‐flesh fruit, a single SNP causes a change of an evolutionarily highly conserved arginine to histidine in the CmOr protein. Functional analysis of CmOr haplotypes in an Arabidopsis callus system confirmed the ability of the CmOr orange haplotype to induce β–carotene accumulation. Site‐directed mutagenesis of the CmOr green/white haplotype to change the Cm OR arginine to histidine triggered β–carotene accumulation. The identification of the ‘golden’ SNP in CmOr, which is responsible for the non‐orange and orange melon fruit phenotypes, provides new tools for studying the Or mechanism of action, and suggests genome editing of the Or gene for nutritional biofortification of crops.

Abstract Linking between genotype and phenotype is a fundamental goal in biology and requires robust data for both layers. The prominent increase in plant genome sequencing and comparisons of multiple related individuals, exposed the abundance of structural genomic variation and suggest that a single reference genome cannot represent the complete sequence diversity of a crop species, leading to the expansion of the pan-genome concept. For high-resolution forward genetics, this unprecedented access to genomic variation should be paralleled by availability and phenotypic characterization of genetic diversity, and effective integration between these layers. Here, we describe a multi-parental framework for trait dissection in melon, leveraging a novel pan-genome constructed for this crop. Melon ( Cucumis melo L.) is an important crop from the Cucurbitaceae family, which display extensive phenotypic variation available for breeding. A diverse core set of 25 founder lines ( MelonCore25 ) was sequenced using a combination of short and long-read technologies and their genomes were assembled de novo . The construction of a melon pan-genome exposed substantial variation in genome size and structure, including detection of ~300,000 structural variants and ~9 million SNPs. A half-diallel derived set of 300 F 2 populations representing all possible MelonCore25 parental combinations was constructed as framework for trait dissection through integration with the pan-genome. We demonstrate the potential of this unified framework for genetic analysis of various melon traits, including rind color and mottling pattern, fruit sugar content and resistance to fungal diseases. We anticipate that utilization of this integrated resource will enhance genetic dissection of important traits and accelerate melon breeding. Significance statement Pan-genomes aim to address the abundance of genome structural variation within species for improved genomic analyses. New pan-genome, constructed from de novo genome assemblies of 25 diverse melon ( Cucumis melo L.) accessions is integrated with a half-diallel derived set of 300 F2 populations representing all possible parental combinations. The potential of this unified multi-parental trait dissection framework for melon genetics and breeding is presented.

Abstract Heterosis, the superiority of hybrids over their parents, is a major genetic force associated with plant fitness and crop yield enhancement. Understanding and predicting heterosis is crucial for evolutionary biology, as well as for plant and animal breeding. We investigated root-mediated yield heterosis in melons ( Cucumis melo ) by characterizing common variety grafted onto 190 hybrid rootstocks resulting from crossing 20 diverse inbreds in a diallel-mating scheme. Hybrid rootstocks improved yield by more than 40% compared to their parents and the best hybrid outperformed the reference commercial variety by 65% under both optimal and minimal irrigation treatments. To characterize the genetics of the underground heterosis we conducted whole-genome re-sequencing of the 20 founder lines, and showed that parental genetic distance was no predictor for the level of heterosis. Through inference of the 190 hybrids genotypes from their parental genomes, followed by genome-wide association analysis, we mapped multiple root-mediated yield QTLs. The yield enhancement of the four best-performing hybrid rootstocks was validated in multiple experiments with four different scion varieties. While root biology is receiving increased attention, most of the research is conducted using plants not amenable to grafting and, as a result, it is difficult to separate root and shoot effects. Here, we use the rich genetic and genomic resources of Cucumis melo , where grafting is a common practice, to dissect a unique phenomenon of root-mediated yield heterosis, by directly evaluating in the field the contribution of the roots to fruit yield. Our grafting approach is inverted to the common roots genetics research path that focuses mainly on variation in root system architecture rather than the ultimate root-mediated whole-plant performance, and is a step towards discovery of candidate genes involved in root function and yield enhancement. Highlight We show that yield heterosis is significant in melon and controlled independently above and underground. Using common-scion grafting approach, we find that heritable rootstock-mediated variation in a diallel population is associated with substantial fruit yield heterosis.

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.

During climacteric ripening large-scale transcriptional modifications are governed by ethylene. While ripening-related chromatin modifications are also known to occur, a direct connection between these factors has not been demonstrated. We characterized ethylene-mediated transcriptome modification, genome methylation dynamics, and their relation to organoleptic modifications during fruit ripening in the climacteric melon and an ethylene repressed line where the fruit-specific ACC oxidase 1 (ACO1) gene was targeted by antisense. The ACO1 antisense line exhibited mainly reduced transcriptional repression of ripening-related genes associated with DNA CHH hypomethylation at the onset of ripening. Additionally, transcription of a small set of ethylene-induced genes, including known ripening-associated genes, was inhibited by ACO1 repression and this inhibition was associated with CG hypermethylation. In the ACO1 antisense line, the accumulation of aromatic compounds, which are mainly derived from the catabolism of amino acids, is known to be inhibited. One of the ethylene-mediated transcriptionally up-regulated genes, CmTHA1, encoding a threonine aldolase, exhibited differential cytosine methylation. Threonine aldolase catalyzes the conversion of L-threonine/L-allo threonine to glycine and acetaldehyde and thus is likely involved in threonine-dependent ethyl ester biosynthesis. Yeast mutant complementation and incubation of melon discs with labeled threonine verified CmTHA1 threonine aldolase activity, revealing an additional ethylene-dependent amino acid catabolism branch involved in climacteric melon ripening.