To explore natural biodiversity we developed and examined introgression lines (ILs) containing chromosome segments of wild species ( Solanum pennellii ) in the background of the cultivated tomato ( S. lycopersicum ). We identified Brix9-2-5 , which is a S. pennellii quantitative trait locus (QTL) that increases sugar yield of tomatoes and was mapped within a flower- and fruit-specific invertase ( LIN5 ). QTL analysis representing five different tomato species delimited the functional polymorphism of Brix9-2-5 to an amino acid near the catalytic site of the invertase crystal, affecting enzyme kinetics and fruit sink strength. These results underline the power of diverse ILs for high-resolution perspectives on complex phenotypes.

Tomato (Solanum lycopersicum) is a well-studied model of fleshy fruit development and ripening. Tomato fruit development is well understood from a hormonal-regulatory perspective, and developmental changes in pigment and cell wall metabolism are also well characterized. However, more general aspects of metabolic change during fruit development have not been studied despite the importance of metabolism in the context of final composition of the ripe fruit. In this study, we quantified the abundance of a broad range of metabolites by gas chromatography-mass spectrometry, analyzed a number of the principal metabolic fluxes, and in parallel analyzed transcriptomic changes during tomato fruit development. Metabolic profiling revealed pronounced shifts in the abundance of metabolites of both primary and secondary metabolism during development. The metabolite changes were reflected in the flux analysis that revealed a general decrease in metabolic activity during ripening. However, there were several distinct patterns of metabolite profile, and statistical analysis demonstrated that metabolites in the same (or closely related) pathways changed in abundance in a coordinated manner, indicating a tight regulation of metabolic activity. The metabolite data alone allowed investigations of likely routes through the metabolic network, and, as an example, we analyze the operational feasibility of different pathways of ascorbate synthesis. When combined with the transcriptomic data, several aspects of the regulation of metabolism during fruit ripening were revealed. First, it was apparent that transcript abundance was less strictly coordinated by functional group than metabolite abundance, suggesting that posttranslational mechanisms dominate metabolic regulation. Nevertheless, there were some correlations between specific transcripts and metabolites, and several novel associations were identified that could provide potential targets for manipulation of fruit compositional traits. Finally, there was a strong relationship between ripening-associated transcripts and specific metabolite groups, such as TCA-cycle organic acids and sugar phosphates, underlining the importance of the respective metabolic pathways during fruit development.

Björn Usadel and colleagues report the genome sequence of the wild tomato species Solanum pennellii. The authors identify genes important for stress tolerance, metabolism and fruit maturation and suggest that transposable elements have had an important role in the evolution of the S. penellii stress response. Solanum pennellii is a wild tomato species endemic to Andean regions in South America, where it has evolved to thrive in arid habitats. Because of its extreme stress tolerance and unusual morphology, it is an important donor of germplasm for the cultivated tomato Solanum lycopersicum1. Introgression lines (ILs) in which large genomic regions of S. lycopersicum are replaced with the corresponding segments from S. pennellii can show remarkably superior agronomic performance2. Here we describe a high-quality genome assembly of the parents of the IL population. By anchoring the S. pennellii genome to the genetic map, we define candidate genes for stress tolerance and provide evidence that transposable elements had a role in the evolution of these traits. Our work paves a path toward further tomato improvement and for deciphering the mechanisms underlying the myriad other agronomic traits that can be improved with S. pennellii germplasm.

Transgenic tomato (Solanum lycopersicum) plants expressing a fragment of the mitochondrial malate dehydrogenase gene in the antisense orientation and exhibiting reduced activity of this isoform of malate dehydrogenase show enhanced photosynthetic activity and aerial growth under atmospheric conditions (360 ppm CO2). In comparison to wild-type plants, carbon dioxide assimilation rates and total plant dry matter were up to 11% and 19% enhanced in the transgenics, when assessed on a whole-plant basis. Accumulation of carbohydrates and redox-related compounds such as ascorbate was also markedly elevated in the transgenics. Also increased in the transgenic plants was the capacity to use L-galactono-lactone, the terminal precursor of ascorbate biosynthesis, as a respiratory substrate. Experiments in which ascorbate was fed to isolated leaf discs also resulted in increased rates of photosynthesis providing strong indication for an ascorbate-mediated link between the energy-generating processes of respiration and photosynthesis. This report thus shows that the repression of this mitochondrially localized enzyme improves both carbon assimilation and aerial growth in a crop species.

Abstract Rice production is a particularly important crop for the half-world population. Therefore, knowledge about which genes are implicated in the functionality of the Photosystem II, that are still poorly explored could collaborate in the assisted selection of rice improving. In the present study, we applied Genome wide Association Studies of PSII chlorophyll fluorescence under two contrasting environmental conditions in 283 rice accessions highly diverse. A total of 110 significant association SNP-phenotype were observed, and 69 quantitative trait loci identified with a total of 157 genes, of which 38 were highly significant, mapped spread out through rice genome. These underlying regions are enriched in genes related to biotic and abiotic stresses, transcription factors, Calvin cycle, senescence, and grain characters. The correlations analyses PSII chlorophyll fluorescence parameters and some panicle characteristics found here suggest the possibility of developing molecular markers to assist the breeding programs that improve photosynthesis and yield in rice. Highlight The genetic structure of the Photosystem II functionality in rice was studied by using genome-wide association through chlorophyll fluorescence.